Оценка расходимости пучка излучения

Определение расходимости пучка лазерного излучения производится путем сравнения распределений интенсивности I(x), полученных на разных расстояниях (y1 и y2) от выходного окна источника излучения (рисунок 2). Сравнение производится по интервалу значений Δx, внутри которого интенсивность пучка превышает 50% от максимального значения (так называемая «полуширина» распределения интенсивности, или «полуширина пучка»).

Рисунок 2 - Схема, поясняющая методику оценки расходимости излучения. а – геометрия схемы в плоскости yz: 1 – источник излучения; Δφ – расходимость пучка излучения в плоскости yz; y1, y2 - расстояние от выходного окна источника излучения при проведении измерений профиля пучка излучения. б – распределение интенсивности в сечении пучка излучения по координате x (профиль пучка излучения) на разных расстояниях (y1 и y2) от выходного окна источника излучения; Δx1 – полуширина пучка при y1; Δx2 – полуширина пучка при y2.

Расходимость пучка (Δ ψ) оценивается по следующей формуле:

Δψ = (Δx2 – Δx1)/(y2 – y1) (2)

Определение угла расхождения лазерного пучка и измерение распределения энергии в пучке

Высокую направленность излучения и возможность фокусировки излучения в пятно чрезвычайно малых размеров обуславливает пространственная когерентность пучка лазера. Направленность излучения характеризуется телесным углом, в котором распространяется большая часть излучения. Чем меньше телесный угол, тем больше направленность излучения. Часто в качестве параметра ОКГ применяется не телесный угол, а плоский угол расхождения пучка. Если расходящийся пучок представляет собой конус, то между плоским и телесным углом существует простая связь. Телесный угол ω, соответствующий плоскому углу θ, вычисляется по формуле

(3)

Для углов θ< 60 с достаточной для практики точностью применима формула

(4)

где ω выражается в радианах. Теоретически плоский угол расхождения пучка ОКГ с плоскопараллельным резонатором можно определить как угол дифракции на выходном отверстии. Угловое расстояние первого дифракционного минимума от центра дифракционной картины в случае дифракции плоской волны на круглом отверстии диаметром D равно:

(5)

Ширина дифракционного максимума на уровне половинной интенсивности для основной моды резонатора с плоскими зеркалами дается выражением

(6)

Это значение является предельно допустимым углом расхождения пучка лазера. Практически этот дифракционный предел, еще не достигнут. Объясняется это значением многих поперечных мод резонатора, а главным образом, неоднородностью активного вещества. Расхождение теоретических данных с практическим результатом объясняется еще и тем, что часто за диаметр излучающего пятна берется диаметр всего пятна, между тем как излучение происходит часто в виде отдельных «волокон».

Естественно, чем меньше угловая расходимость луча, тем точнее она должна быть измерена. К сожалению, до сих пор отсутствуют точные методы определения угла расхождения пучка ОКГ, особенно импульсных.

На рисунке 3 показана схема, пригодная для измерения угла расхождения луча непрерывных ОКГ.

Рисунок 3 - Схема измерения угла расхождения луча ОКГ

Экран Э устанавливается перпендикулярно оси пучка на расстоянии L от выходного отверстия генератора. Если излучение происходит в видимой области спектра, то визуально измеряются диаметры d и D сечения пучка соответственно на выходе из прибора и на экран. Угол расхождения

(7)

В связи с небольшим значением угла θ точность измерений сильно зависит от точности измерений диаметров. Обычно они берутся на уровне половинной интенсивности. Для визуальной оценки этот уровень определяется приближенно. Для повышения точности желательно увеличивать расстояние L. В данной работе измерение диаметров производится фотоэлектрическим способом.