雷射光束質量

雷射光束質量是雷射器的一個重要技術指標，是從質的方面來評價雷射的特性。但是，較長時期以來，對光束質量一直沒有確切的定義，也未建立標準的測量方法，對科研和套用都帶來了不便。

基本介紹

• 中文名：雷射光束質量
• 外文名：Laser beam quality

與燈抽運的固體雷射相比,全固態雷射輸出功率、光束質量、壽命等都大大提高,因此開闢了一系列新的重大套用,特別是在高能雷射領域的套用。光束質量是全固態雷射套用中的一個極其關鍵的參數,通常認為它是從質的方面來評價雷射束的傳輸特性,對理論分析和雷射器的設計、製造、檢測、實際套用等方面具有重要意義。國內外學者長期關注有關雷射光束質量,特別是高能雷射光束質量的研究,力圖建立既能簡明反映物理實質,又能全面評價光束質量的標準。在雷射的發展史上,針對不同的套用目的,人們對雷射的光束質量有許多種定義,提出了不同的評價參數,主要有:聚焦光斑尺寸、遠場發散角、斯特列爾比、衍射極限倍數月因子、光束參數乘積、桶中功率(能量)和耐因子等,也形成了多種檢測方法.學術界對這些評價標準的理性和適用性還不統一,存在一定的爭議。

雷射光束質量是雷射器的一個重要技術指標，是從質的方面來評價雷射的特性。但是，較長時期以來，對光束質量一直沒有確切的定義，也未建立標準的測量方法，對科研和套用都帶來了不便。1988年，A.E.Siegman引入了一個無量綱的量-光束質量因子參數，較科學合理地描述了雷射光束質量，並被國際標準化組織1991年的ISO/TC172/SC9/WG1標準草案採納，雷射光束質量因子的研究和測量也成為近幾年研究的熱點。

光束質量是衡量雷射光束優劣的一項重要指標。但是,較長時間以來,光束質量一直沒有確切的定義,也未建立標準的測量方法,這給科研和套用都帶來不便。常用來評價光束質量的方法有:原衍射極限倍數因子、斯特列爾比、環圍能量比、M2因子或其倒數K因子(光束傳輸因子),各種光束質量的定義對應於不同的套用目的,所反映光束質量的側重點也不同。光束質量的好壞,應視具體的套用目的作出評價。光束質量是從質的方面來評價雷射的特性,對雷射器設計、製造、檢測、套用等有重要作用。探討如何完善光束質量因子的普適性,分析影響光束質量的因素,並進行控制,具有重要意義。

對於分析遠程雷射測距和雷射測高的精度來說，測距光束質量檢測是其中重要的環節，特別是光束的能量分布狀況以及發散角和束寬的大小，對測距回波的影響最明顯，而雷射光束質量因子比較能反映測距雷射的質量，提高測量的精度。

評價方法-原衍射極限倍數因子

原衍射極限倍數因子定義為被測實際光束遠場發散角與理想光束遠場發散角的比值,其表達式為β=θ/θ0(1)
遠場發射角θ用漸近線公式θ=limz→∞/w(z)z,確定w(z)為光斑寬度,z為光斑所對應的位置。在旁軸近似和光闌孔徑衍射可忽略情況下,自由空間中光束寬度w(z)滿足如下傳輸方程:
w2(z)=w20+(M2)2〔λ/(πw0)〕2(z-z0)2(2)
式中z0為束腰w0所在位置。對理想高斯光束,光斑寬度w(z)用光強最大值1/e2處的寬度來定義,在所定義的光斑尺寸內含有高斯光束總功率的86.5%。
原衍射極限倍數因子β主要適用於評價剛從雷射器諧振腔發射出的雷射束,能較合理地評價近場光束質量,它是描述雷射系統光束質量的靜態性能指標,並沒有考慮大氣對雷射的散射,湍流和熱暈等作用。在雷射對抗武器系統中,β主要由雷射武器系統出射光束的βL和經過光束定向器的光束βD決定,便有β2=β2L+β2D(3)它為高能雷射武器系統的光束質量提供了評價依據。β值的測量依賴於光束遠場發散角的準確測量,由於雷射本身的因素和在雷射束傳輸過程中眾多因素的影響,使得遠場光束的強度分布中含有較多的高階空間頻率分量,強雷射經衰減後用CCD接收測量光斑寬度的辦法,很難探測到光斑的高階分量,相對的空間強度分布很難反映出光斑的高階分量,所得的β值不能真實反映由於高階彌散引起的能量損失。它的準確測量要求對探測系統較高,不適合於評價遠距離傳輸的光束。

評價方法-環圍能量比

環圍能量比,也稱靶面上(或桶中)功率比,定義為規定尺寸內理想光斑環圍能量(或功率)與相同尺寸內實際光斑環圍能量(或功率)的比值的方根。其表達式為BQ=P理想P實測或BQ=EE實理想測 (4)

BQ值是針對能量輸送、耦合型套用,結合光束在目標上的能量集中度進行遠場光束質量的評價。BQ值區別於β值的是它包含了大氣的因素,是從工程套用,破壞效應的角度描述光束質量的綜合性指標,是雷射武器系統受大氣影響的動態指標。BQ值把光束質量和功率密度直接聯繫在一起,是能量集中度的反映,對強雷射與目標的能量耦合和破壞效應的研究有著非常實際的意義。單一的桶對光強的空間分布描述有所不足,而且必須明確理想光束的選取,從工程套用角度,用較為簡單、實用的辦法,選取與雷射武器發射系統主鏡尺寸相當的實心平面波作為理想光束。對於“硬破壞”雷射武器,規範尺寸要儘可能的小,要求較高的峰值功率密度,規範尺寸以發射系統主鏡的主徑尺寸D對應的衍射極限尺寸較合適,它所含能量為系統發射總能量的84%,對於“軟殺傷”雷射武器,要求靶面範圍內有較高的能量份額,較高的平均功率密度,規範尺寸可選為破壞目標的尺寸。
BQ值常用不同限孔能量測量法以及能對空間絕對能量分布測量的探測系統進行測量,要求具備可直接接收高能雷射的強光陣列探測器或靶盤儀。它是常用於評價強雷射光束質量的方法,但由於高功率雷射器,例如氟化氫(HF),氟化氘(DF)和氧碘化學雷射器(COIL),一般採用非穩腔結構,輸出光束不是高斯光束,衡量非穩腔雷射器產生雷射束的質量,有一些不確定之處。

評價方法-斯特列爾比(StrehlRate)

斯特列爾比定義為實際光束軸上的遠場峰值光強與具有同樣功率、位相均勻的理想光束軸上的峰值光強之比。其表達式為:
SR≈exp〔-(2πΔΥλ)2〕(5)
式中,Δ-雷射光束的波像差,λ-雷射波長。斯特列爾比因子反映了遠場軸上的峰光強,它取決於波前誤差,能較好地反映光束波前畸變對光束質量的影響。常套用於大氣光學中,主要用來評價自適應光學系統對光束質量的改善性能。
斯特列爾比SR對高能雷射武器系統自適應光學修正效果的評價有重要作用。高能雷射武器系統主要包括高能雷射器和光束定向器兩大分系統。當高能雷射武器系統有自適應光學修正時,僅從雷射器出射光束的光束質量、光束定向器出射口光束質量以及高能雷射到達靶面的光束質量還不足以反映自適應系統對高能雷射在能量空間輸運中光束質量的改善,還需要對光束進行自適應修正前後的光束質量進行評價。採用SR從相位角度反映光束質量,能較好地反映自適應系統對波前畸變的修正性能。通過對自適應光學系統開環和閉環條件下SR的測量和對比,可分析自適應光學系統的工作性能,定義n為n=SRS′R(6)
上式可以反映自適應光學系統對波前畸變的矯正效果。自適應光學系統在閉環工作條件下,也存在抖動的問題,光束的抖動會嚴重影響光束的質量。通過對影響光束質量的主要因素進行分析,採用零點反饋補償法和補償波前畸變的方法對光束質量控制有重要實用意義。但Strehl比只反映遠場光軸上的峰光強,不能給出能量套用型所關心的光強分布。此外,它只能粗略地反映光束質量,在光學系統設計中不能提供非常有用的指導。

評價方法-M因子

雷射光束質量M2因子被國際光學界所公認並由國際標準化組織(ISO)予以推薦。M2因子克服了常用光束質量評價方法的局限,用M2因子作為評價標準對雷射器系統進行質量監控及輔助設計等具有十分重要的意義。M2因子評價方法常用於低功率雷射器產生光束截面上光強分布為連續的雷射光束。由於採用光束的二階矩定義束寬,對測量儀器要求較高。在亮度公式中,用雷射束腰直徑來表示光源發光面積ΔS=14λd2o,用雷射束遠場發散角來表示光源發射立體角ΔΨ=14πθ2f,並把d0θf積用M2因子表示出來,則雷射束亮度公式就可表示:B=PΔS·ΔΨ=P(M2)2·λ2(21)這樣,雷射束的特徵就可以用功率、波長、光束質量幾個參數表示出來,光束質量M2因子是表征雷射束亮度高、空間相干性好的本質參數。將光場在空域及頻域的分布來表示光束質量M2因子,即M2=4πσsσsv,便可知道M2因子能夠反映光場的強度分布與相位分布的特性〕。相對其它評價方法來說,M2因子能較好地反映光束質量的實質,具有較強的普適性,並且積分地反映了光強的空間分布。
M2因子不適合於評價高能雷射的光束質量,高能雷射的諧振腔一般是非穩腔,輸出的雷射光束不規則,將不存在“光腰”,而且,對於能量分布離散型的高能雷射光束,由二階矩定義計算得到的光斑半徑與實際相差很遠。得到的M2
因子誤差很大。M2因子要求光束截面的光強分布不能有陡直邊緣,比如對於“超高斯光束”M2因子就不適用。

影響雷射光束質量的因素

光束質量是雷射束可聚焦程度的度量,高質量光束的遠場發散角應接近理想的單模高斯光束的衍射極限。光束質量受雷射產生、發射和傳輸過程的影響。影響光束質量的因素較多,諸如在諧振腔內介質的泵浦、冷卻的非均勻性和增益飽和都會引起雷射介質非均勻增益分布、光學元件的靜態像差和動態熱像差(熱畸變)、光腔的失調和抖動、硬邊光闌衍射、光學傳輸系統的像差及裝校誤差、工作物質的雙折射、高階模輸出等都會降低光束質量。諧振腔畸變對整個光束質量起關鍵性作用,它是產生波前畸變的重要原因。發射光學系統的像差和抖動也是影響光束質量的原因。大氣湍流易引起光束漂移和發散效應,導致光束能量不集中。對高功率雷射而言,在傳輸通道(大氣)中非線性(熱暈等)效應常是導致光束質量劣化,限制高功率雷射遠程有效傳輸的重要因素。
通過合理設計和使用空間濾波器,高斯光闌或高斯反射鏡等光學元件和系統,對諧振腔採取最佳化設計,比如在軸對稱腔內插非軸對稱光學元件(柱透鏡等),可以減小M2因子之值,提高光束質量。
光束質量是由光場振幅和相位分布共同決定的,它是雷射武器系統的一項重要性能指標,高質量光束在很大程度上提高雷射武器的作戰參數。在雷射器設計和生產過程中,光束質量參數為雷射器製造中的質量控制提供有力依據。原衍射極限倍數因子主要從光束的遠場發散角考慮,它主要描述了光束的靜態性能指標。環圍能量比是評價高能雷射武器系統的重要參數,它主要從能量耦合和破壞效應的實際套用角度出發。斯特列爾比更強調光軸上的峰光強,在大氣光學中比較常用。M2因子是一種較為完善,合理的光束質量評價標準,並且得到國際標準化組織(ISO)的認可。雖然這些方法都有各自的不足,但可以採用分清主次和綜合衡量的方法而選擇其一。依據這些評價雷射光束質量的方法,按照不同的套用目的,研製和最佳化各種雷射武器系統,有助於推動我國的國防事業發展。