《激光光束质量度量》（美）T.Sean Ross著|(epub+azw3+mobi+pdf)电子书下载

图书名称：《激光光束质量度量》

【作　者】（美）T.Sean Ross著

【页 数】 177

【出版社】 北京：国防工业出版社 , 2018.12

【ISBN号】978-7-118-11694-6

【价 格】66.00

【分 类】激光-质量-度量

【参考文献】 （美）T.Sean Ross著. 激光光束质量度量. 北京：国防工业出版社, 2018.12.

图书封面：

图书目录：

《激光光束质量度量》内容提要：

本书共分七章。内容包括：绪论；如何搭建M2测量设备；如何设计光束质量指标；光束质量指标间的转换；光束阵列；注意事项；总结。

《激光光束质量度量》内容试读

第1章

绪论

1.1激光光束质量测量的首要准则

激光光束质量测量的首要准则指出，任何试图将包含七维特征（三维坐标、三维相位、一维时间)的复杂电场简化为单一数字的行为，都将不可避免地丢失一些信息：

E[,y,z,t]=Elt,y,zleiolle-jwt

(1.1)

光束质量的确定似乎很简单，只要购买一个商用激光光束质量分析仪，接上插头，对准光束，就可以测得光束质量了。这种方法看似没有问题，然而当想要进行以下一些具体工作时，就可能出现问题，例如：

(1)尝试将光束质量数据用于计算；

(2)对商业产品的假设前提有疑虑；

(3)需要撰写合同规定条款，或试图满足合同规定条款。

1.2激光光束质量研究的历史、资源和现状

自从20世纪60年代激光出现之后，人们就开始对激光光束质量进行

研究。科学家首先提出用M(模式)因子测量叠加高斯光束中高阶高斯光

束的阶数。不久，其他光束质量度量评价方法也相继提出，例如，桶中功率(PIB)和光束参数乘积(BPP)等。此外，Strehl比(Strehl ratio)也是早期评价光束质量的主要方法之一，它最早被人们用来描述恒星影像。早期关于激光光束质量测量的文献大多是在私人或行业内部的出版物上出版的，

2。■第1章绪论

而不是公开发表在科学文献杂志或学术会议论文集中，因此，许多“诀窍”只是激光工程师和科学家之间的常识，而没有以严格的格式记录下来。例如，在Anthony Siegman博士的互联网参考目录中，有超过300篇文献是

关于光束质量测量的，然而，这些文献的标题中第一个包含“M2”术语的

是《光斑尺寸与M2的依赖关系》。该论文只在1972年Holobeam公司出

版的技术简报中发表。再如，国际标准组织(SO)发布的具有独立版权的

11146官方文件，对M2因子进行了标准化规定，但该规定仅在IS0网站

上出售，并没有出现在公开出版物中。这种情况使得光束质量的定义具有通俗性，而缺乏科学性和严谨性。同时，由于光束质量分析仪和其他光束质量测量设备很容易购买和使用，也给人们留下了光束质量很容易测量的错觉。激光领域经典著作《激光》(Siegman,l986)一书的作者Anthony

Siegman博士就曾举办大量的研讨会和讲座，试图解决相关领域工作者对激光光束质量的错误认知，例如l998年Siegman博士做了“如何测量激光光束质量”的报告。尽管Siegman博士做了很多努力，人们对光束质量的认知仍然存在一些明显问题，主要如下：

(1)光束质量指标难以复现；

(2)方法不严谨；

(3)存在错误概念，例如：

①大多数激光光束质量测量方法都是测量相同的内容；

②M2因子适用于所有类型光束的光束质量度量；

③谈及光束质量时，并不需要提及误差；

④衍射极限倍数，具有严格的物理意义：

⑤光束质量是一个严格的科学度量指标；

⑥光束质量测量方法的微小变化对测试结果影响不明显等。本书在帮助读者学习如何测量并确定激光光束性能的同时，还将证明以上理解和认知是错误和有风险的。

实际上，光束质量的意义在于：

(1)衡量激光束聚焦能力；

(2)衡量激光束模式；

(3)衡量激光束发散角；

(4)与一些特定应用相关或不相关的物理描述。

不同的系统或应用需要对激光光束性能进行不同的测量。本书将帮助读者了解光束性能的常用标准测量方法，并向读者展示针对具体应用如何创建并验证测量方法。

■1.3激光器结构3

1.3激光器结构

本节首先定性介绍激光器的原理和构成，目的是充分了解激光器构成对激光光束质量的影响。读者可参照“参考文献”中列出的几本高质量图书中的任何一本，深入、定量地理解激光谐振腔。

1.3.1激光谐振腔

一般来说，激光谐振腔至少由三部分组成，即激励源、增益介质和反馈机构，如图1.1所示。常见的激励源有放电激励源、电压激励源、闪光灯激励源、二极管激励源或化学激励源。激励源通过使增益介质内粒子数

反转实现光放大。常见的增益介质有人造晶体、气体、染料、PN结、掺杂

玻璃和透明陶瓷等。最常见的反馈机构是一组反射镜，该组反射镜在增益介质的发射波长附近具有特定的光学性质。典型情况下，一个反射镜的反射率为100%，称为高反射镜；另一个反射镜为部分反射镜，称为输出镜。

当泵浦能量转移至激光增益介质时，大量电子被激发到较高能级。该高能级必须具有较长的寿命，使得电子能够保持在激发态，而不是立即衰减到基态，从而能够满足光子在谐振腔内的多次往返放大。典型的激光器谐振腔的尺寸只有几英尺①长或更短，光在谐振腔内的往返时间为纳秒量级，因此毫秒量级的上能级寿命足以使谐振腔产生激光。对于激光受激辐射来说，1s可以满足光子在谐振腔内近百万次的往返运动。最终，一些激发态的电子将跃迁到较低能级。这些跃迁辐射的光子，在空间和时间上是随机的。在这些自发衰减的光子中，总会出现一些传播方向恰好与谐振腔光轴同轴的光子，在高反射镜和输出镜之间反射，最终形成振荡。当具有适当能量的光子与激发态的电子作用时，能够激发电子向低能级跃迁，并产生另一个与原光子运动方向相同并且具有相同相位的光子。该过程不断重复，使得在数毫秒时间内，激光增益介质开始以与泵浦同样的速率发射出激光，此时激光谐振腔处于振荡状态。激光一词是“受激辐射光放大”(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation,LASER)的首字母缩写，是对激光谐振腔内发生情况的准确描述。通常将laser作为名词来指代激光装置，将lase作为动词来描述当激光谐振器处于振荡状态时发射相干激光的状态。

①1英尺=0.3048m。

4■第1章绪论

输出波束

循环通量

输出镜

增益介质

高反射镜

图1.1通用激光谐振腔结构

1.3.2稳定腔

稳定腔是指光场的波前可以在谐振腔内循环自再现而不发生畸变的谐振腔。在实际情况中，由于谐振腔内损耗的存在，无法实现光场波前的无畸变循环自再现。波前可以在谐振腔内自再现的光场称为谐振腔模式或腔模式。如果反射镜是球面的，则谐振腔内的模式为厄米高斯(Hermite-

Gaussian)或拉盖尔高斯(Laguerre-Gaussian),这些将在1.5节中深入讨论。如果增益介质是由光纤构成的光纤激光器，如1.5.4节所述，则可将其视为波导模式结构。稳定谐振腔的另一个重要特征是波前通常通过输出镜（部分反射镜）耦合输出。稳定的谐振腔是由特定曲率的反射镜和特定腔长构成的(Siegman,1986,Eq.19-8),满足

(-)(-)

(1.2)

式中：L是谐振腔的长度；R1和2是构成谐振腔镜面的曲率。稳定谐

振腔内通常包含大量模式。如果不希望得到高阶模式，那么就需要采取特定的方法对其进行抑制。这些方法包括在腔内放置小孔光阑、腔内急剧聚焦(sharp intracavity foci)或只使用部分增益介质的特定泵浦方式只使用

一部分的增益介质。如果谐振腔的腔镜是球面镜，则其模式分布为高斯分布。这些模式结构将在1.5节中全面讨论。

1.3.3非稳腔

非稳腔是指腔内波前或模式不能自再现的谐振腔。在非稳腔内，输出镜尺寸通常小于腔内光束波前尺寸，或与谐振腔另一侧的高反镜呈一定角度，使得非稳腔激光束直接从输出镜周围出射。通用的非稳腔结构如图1.2

所示。非稳腔通常具有很高的单程增益(90L),通常单程增益大于100%。

非稳腔内模式数较少，最多只存在几个模式。模式分布只能通过Fox-Li数

■1.3激光器结构5

值迭代法求解，而无法求得封闭解（解析解）。非稳腔结构紧凑，可应用在高能激光领域，例如在军事领域中作为长距离传输应用的激光光源。这是因为与稳定腔相比，非稳腔的腔内循环通量与耦合输出通量之间的比率较低。在稳定腔内，输出镜的反射率高达95%~99%。腔内循环通量比耦合输出通量大20~100倍。对于输出功率只有几瓦的激光器来说，这无关紧要。然而，对于采用稳定腔结构的数十瓦级商用激光器，需要在腔内实现高达1kW的循环通量。如果采用稳定腔结构，千瓦级的激光器谐振腔可能需要具有兆瓦的循环通量，这将损坏增益介质和谐振腔内光学元件。反之，对于非稳腔结构，每个往返内可能有超过2/3的能量输出，循环通量仅为其能量的一部分。这就意味着如果采用非稳腔结构，输出10kW能量的激光器，其腔内通量仅有30kW。这对于谐振腔内的光学元件尤为重要，也是很多高能应用领域的激光器采用非稳腔结构的原因。非稳腔结构的其他优点包括采用非稳腔结构的激光器可以产生环形光束，非常适合采用激光扩束镜进行发射传输，易实现单模和高能输出。

输出波束

循环通量

输出镜

增益介质

高反射镜

图1.2通用的非稳腔结构示意图

1.3.4主振荡功率放大器

主振荡功率放大器(MOPA)是产生高功率相干激光的另一种结构。

这种系统是先由主振荡器产生一束较好光束质量的低功率激光，然后使用无反馈装置的放大器对其进行放大。多数情况下，种子光多次通过各级放大器进而充分利用各级放大的能量。在本书讨论的三种激光谐振腔结构

(稳腔、非稳腔、MOPA)中，MOPA结构对光学元件要求最低，且输出功

率最高。MOPA结构在高能高功率激光领域，如大型激光聚变装置，占有

绝对优势。MOPA输出光束的模式与所使用的种子光的模式相同，其光束

质量的降低主要来源于放大元件中增益的非均匀性以及复杂光路中孔径

6■第1章绪论

限制导致的衍射环。

1.3.5激光器的时域特性

激光器工作模式有连续模式和脉冲模式两种。脉冲激光器可分为调Q

脉冲激光器、锁模激光器和增益开关激光器等。调Q激光器中增益介质

处于连续泵浦状态，但仅允许在远长于腔内往返周期的时间段内，形成腔内振荡。由此产生的光脉冲长度在10~100s之间。第一种调Q方法是给反射镜安装电动机，电动机每转一周腔镜将实现一次对准。稳定腔输出

的调Q脉冲宽度足以满足光束在腔内的多次振荡，因此具有较好的模式

结构。

锁模激光器内的增益介质也处于连续泵浦状态，允许振荡光仅在几个循环之后输出腔外。在模式锁定打开时，可以使所有输出的纵模都处于时

域相干状态。锁模脉冲比调Q脉冲短很多，通常为几皮秒。由于腔内循环

的脉冲无法“感受”谐振腔，在多数时间是被关断的，因此稳定腔输出的锁模激光器也有完整的模式结构。

增益开关使光泵浦快速打开及关断，例如半导体激光或闪光灯。由于高电流下电开关的速度限制，增益开关激光器输出的脉冲宽度通常为毫秒量级。

台激光器包含的所有脉冲中，每个脉冲都不尽相同。由于每一个脉

冲的光束质量都不同，这使得光束质量测量变得困难。总的来说，测量一个长序列脉冲的光束质量，代表的是这些脉冲的平均光束质量。如果想测量单个脉冲的光束质量，需要使用一个与脉冲同步的高速探测器。

1.3.6激光器的种类

除了根据谐振腔的类型分类外，还可以根据激光器增益介质的不同对激光器进行分类，主要包括化学激光器、气体激光器、全固态激光器、光纤激光器和半导体激光器等，具体分类如下：

(1)染料激光器。在染料激光器内，处于溶解状态的光学活性染料在有机溶剂中流动。激光受激辐射的能量主要来自于作为泵浦源的闪光灯和半导体激光器。由于其线宽很宽，染料激光器易于实现脉冲输出。染料出口附近的自由空间谐振腔通常会产生高斯光束。

(2)化学激光器。化学激光器是指通过谐振腔内流动的液体或气体的化学反应引起激光跃迁，从而产生激光的激光器。例如氧化碘化学激光

···试读结束···