Основные понятия и список терминов по теме щелевых CO2 Лазеров

Список терминов
(Основные понятия по теме CO2 Лазеров)

 

 

 

Мода излучения

Оптическое качество пучка (М2)

Параметр распространения (Beam Product)

Диаметр пучка в фокусе линзы

Глубина фокуса (DOF)

 

 

Мода резонатора – это распределение электромагнитного поля в резонаторе, воспроизводящееся при многократном распространении световой волны между зеркалами резонатора. Технологические лазеры, используемые в промышленности, чаще всего излучают суперпозицию нескольких низших мод. Дляосновной моды - ТЕМ00 поперечное распределение поля определяется простой гауссовой функцией:

где I – интенсивность поля, r – радиальная координата, ω – радиус пучка, определяемый как расстояние на котором интенсивность спадает в e² раз по сравнению с её величиной на оси I = Io × e ‾ ² (Рис. 1.)

Рис. 1.  Распределение интенсивности по сечению гаусового пучка.	Рис. 2.  Распространение гаусовых пучков в пустом пространстве.

По определению, половинный угол расходимости гауссова пучка равен: 

где ωo– радиус шейки (перетяжки) гауссова пучка (Рис.2), λ– длина волны, π =3,14.

 

 

Реальный радиус лазерного пучка (радиус моды) больше теоретического идеального, соответствующего ТЕМ00 моде. И угловая расходимость излучения реального лазера отличается от расходимости идеального гауссова пучка. 

Основные факторы приводящие к отличию выходного излучения лазера от гаусового пучка и ухудшению расходимости излучения реального лазера:

Форма выходящего из резонатора пучка может не быть гауссовой, например для неустойчивых резонаторов.

Недостаточные селективные свойства резонаторов приводящие к возникновению многомодовости.

Дефекты изготовления оптических элементов.

Тепловые деформации оптических элементов.

Тепловые линзы возникающие в активной среде лазера.

Неоднородности плотности потока газа (для быстропроточных газовых лазеров).

Отличие излучения реального лазера от гауссова пучка может быть выражено через через безразмерный параметр M²:

        M2= Θреал./Θгаус.= Θ/Θ0      (2)

который называется оптическим качеством лазерного луча. Отметим, что в этой формуле подразумевается, что измерения делаются по уровню 0,86 от максимума интенсивности излучения, что соответствует 1/е².







Параметром распространения (beam product) называется произведение половинного угла расходимости лазера на радиус моды:

Θ×do ≡ "BP"

Для гауссова пучка Θo×ωo =λ/π
Очевидно, что для реальных лазерных пучков этот параметр не является константой и может характеризовать “качество” распространения луча, т.е.

     Θ×do =M2λ/π      (3)

Из вышесказанного следует, чем ближе расходимость реального лазера к дифракционному пределу, тем выше его оптическое качество, и тем меньше его “M²” отличается от 1, т.е М²=1 для моды ТЕМ00.

Формулу (3) можно переписать следующим образом: 

     M2=(π/4λ)×(2do×2Θ),     

где 2do - диаметр пучка в миллиметрах, а 2Θ - полный угол расходимости излучения лазера в миллирадианах. Оба параметра измеряются по уровню 1/е². Для СО2-лазеров (λ=10,6 мкм):

     M2=0,074×(2do×2Θ),     

Отметим, что оптическое качество излучения щелевых лазеров подробно изучалось в наших работах .

 

Рис. 3. Прохождение гаусова пучка и луча реального лазера              с M2>1 через фокусирующую линзу.

Для практики полезно знать зависимости диаметра пятна D на обрабатываемом материале от величины фокуса линзы f, от диаметра пучка на линзе 2d; и от оптического качества луча М²:

     D=4λM2f/(π×2d)     

Для СО2-лазера:

     D=13,5×10-3×M2×f/2d    

здесь фокусное расстояние f , диаметр пучка на линзе 2d и диаметр пятна D измеряются в миллиметрах.

 

 

 

Параметр глубины фокуса (depth of focus) DOF:

     DOFco2=148×D2/M2,     

где DOF и D – в миллиметрах. В пределах DOF плотность мощности на обрабатываемом материале составляет не менее половины от плотности мощности в фокусе.

---

Мы готовы ответить на все интересующие Вас вопросы по телефону (812) 327-30-15 или по электронной почте info@slab-laser.ru.