激光光束質(zhì)量是激光器的一個重要技術(shù)指標(biāo)，是從質(zhì)的方面來評價(jià)激光的特性。但是，較長時期以來，對光束質(zhì)量一直沒有確切的定義，也未建立標(biāo)準(zhǔn)的測量方法，對科研和應(yīng)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(zhì)量因子參數(shù)，較科學(xué)合理地描述了激光光束質(zhì)量，并被國際標(biāo)準(zhǔn)化組織1991年的ISO/TC172/SC9/WG1標(biāo)準(zhǔn)草案采納，激光光束質(zhì)量因子的研究和測量也成為近幾年研究的熱點(diǎn)。
原衍射極限倍數(shù)因子、斯特列爾比、環(huán)圍能量比、M2因子或其倒數(shù)K因子(光束傳輸因子),各種光束質(zhì)量的定義對應(yīng)于不同的應(yīng)用目的,所反映光束質(zhì)量的側(cè)重點(diǎn)也不同。光束質(zhì)量的好壞,應(yīng)視具體的應(yīng)用目的作出評價(jià)。
光束質(zhì)量是從質(zhì)的方面來評價(jià)激光的特性,對激光器設(shè)計(jì)、制造、檢測、應(yīng)用等有重要作用。探討如何完善光束質(zhì)量因子的普適性,分析影響光束質(zhì)量的因素,并進(jìn)行控制,具有重要意義。
對于分析遠(yuǎn)程激光測距和激光測高的精度來說，測距光束質(zhì)量檢測是其中重要的環(huán)節(jié)，特別是光束的能量分布狀況以及發(fā)散角和束寬的大小，對測距回波的影響較明顯，而激光光束質(zhì)量因子比較能反映測距激光的質(zhì)量，提高測量的精度。
原衍射極限倍數(shù)因子定義為被測實(shí)際光束遠(yuǎn)場發(fā)散角與理想光束遠(yuǎn)場發(fā)散角的比值,其表達(dá)式為
遠(yuǎn)場發(fā)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(yīng)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(qiáng)max值1/e2處的寬度來定義,在所定義的光斑尺寸內(nèi)含有高斯光束總功率的86.5%。
原衍射極限倍數(shù)因子β主要適用于評價(jià)剛從激光器諧振腔發(fā)射出的激光束,能較合理地評價(jià)近場光束質(zhì)量,它是描述激光系統(tǒng)光束質(zhì)量的靜態(tài)性能指標(biāo),并沒有考慮大氣對激光的散射,湍流和熱暈等作用。
在激光對抗武器系統(tǒng)中,β主要由激光武器系統(tǒng)出射光束的βL和經(jīng)過光束定向器的光束βD決定,便有
它為高能激光武器系統(tǒng)的光束質(zhì)量提供了評價(jià)依據(jù)。
β值的測量依賴于光束遠(yuǎn)場發(fā)散角的準(zhǔn)確測量,由于激光本身的因素和在激光束傳輸過程中眾多因素的影響,使得遠(yuǎn)場光束的強(qiáng)度分布中含有較多的高階空間頻率分量,強(qiáng)激光經(jīng)衰減后用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(qiáng)度分布很難反映出光斑的高階分量,所得的β值不能真實(shí)反映由于高階彌散引起的能量損失。它的準(zhǔn)確測量要求對探測系統(tǒng)較高,不適合于評價(jià)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)墓馐?/section>
環(huán)圍能量比,也稱靶面上(或桶中)功率比,定義為規(guī)定尺寸內(nèi)理想光斑環(huán)圍能量(或功率)與相同尺寸內(nèi)實(shí)際光斑環(huán)圍能量(或功率)的比值的方根。其表達(dá)式為
BQ值是針對能量輸送、耦合型應(yīng)用,結(jié)合光束在目標(biāo)上的能量集中度進(jìn)行遠(yuǎn)場光束質(zhì)量的評價(jià)。
BQ值區(qū)別于β值的是它包含了大氣的因素,是從工程應(yīng)用,破壞效應(yīng)的角度描述光束質(zhì)量的綜合性指標(biāo),是激光武器系統(tǒng)受大氣影響的動態(tài)指標(biāo)。BQ值把光束質(zhì)量和功率密度直接聯(lián)系在一起,是能量集中度的反映,對強(qiáng)激光與目標(biāo)的能量耦合和破壞效應(yīng)的研究有著非常實(shí)際的意義。
單一的桶對光強(qiáng)的空間分布描述有所不足,而且必須明確理想光束的選取,從工程應(yīng)用角度,用較為簡單、實(shí)用的辦法,選取與激光武器發(fā)射系統(tǒng)主鏡尺寸相當(dāng)?shù)膶?shí)心平面波作為理想光束。
對于“硬破壞”激光武器,規(guī)范尺寸要盡可能的小,要求較高的峰值功率密度,規(guī)范尺寸以發(fā)射系統(tǒng)主鏡的主徑尺寸D對應(yīng)的衍射極限尺寸較合適,它所含能量為系統(tǒng)發(fā)射總能量的84%,對于“軟殺傷”激光武器,要求靶面范圍內(nèi)有較高的能量份額,較高的平均功率密度,規(guī)范尺寸可選為破壞目標(biāo)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(tǒng)進(jìn)行測量,要求具備可直接接收高能激光的強(qiáng)光陣列探測器或靶盤儀。
它是常用于評價(jià)強(qiáng)激光光束質(zhì)量的方法,但由于高功率激光器,例如氟化氫(HF),氟化氘(DF)和氧碘化學(xué)激光器(COIL),一般采用非穩(wěn)腔結(jié)構(gòu),輸出光束不是高斯光束,衡量非穩(wěn)腔激光器產(chǎn)生激光束的質(zhì)量,有一些不確定之處。
斯特列爾比定義為實(shí)際光束軸上的遠(yuǎn)場峰值光強(qiáng)與具有同樣功率、位相均勻的理想光束軸上的峰值光強(qiáng)之比。其表達(dá)式為:
式中,Δ-激光光束的波像差,λ-激光波長。斯特列爾比因子反映了遠(yuǎn)場軸上的峰光強(qiáng),它取決于波前誤差,能較好地反映光束波前畸變對光束質(zhì)量的影響。
常應(yīng)用于大氣光學(xué)中,主要用來評價(jià)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)對光束質(zhì)量的改善性能。
斯特列爾比SR對高能激光武器系統(tǒng)自適應(yīng)光學(xué)修正效果的評價(jià)有重要作用。高能激光武器系統(tǒng)主要包括高能激光器和光束定向器兩大分系統(tǒng)。
當(dāng)高能激光武器系統(tǒng)有自適應(yīng)光學(xué)修正時,僅從激光器出射光束的光束質(zhì)量、光束定向器出射口光束質(zhì)量以及高能激光到達(dá)靶面的光束質(zhì)量還不足以反映自適應(yīng)系統(tǒng)對高能激光在能量空間輸運(yùn)中光束質(zhì)量的改善,還需要對光束進(jìn)行自適應(yīng)修正前后的光束質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)。
采用SR從相位角度反映光束質(zhì)量,能較好地反映自適應(yīng)系統(tǒng)對波前畸變的修正性能。通過對自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)開環(huán)和閉環(huán)條件下SR的測量和對比,可分析自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的工作性能,定義
上式可以反映自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)對波前畸變的矯正效果。自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)在閉環(huán)工作條件下,也存在抖動的問題,光束的抖動會嚴(yán)重影響光束的質(zhì)量。
通過對影響光束質(zhì)量的主要因素進(jìn)行分析,采用零點(diǎn)反饋補(bǔ)償法和補(bǔ)償波前畸變的方法對光束質(zhì)量控制有重要實(shí)用意義。但Strehl比只反映遠(yuǎn)場光軸上的峰光強(qiáng),不能給出能量應(yīng)用型所關(guān)心的光強(qiáng)分布。
此外,它只能粗略地反映光束質(zhì)量,在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中不能提供非常有用的指導(dǎo)。
激光光束質(zhì)量M2因子被國際光學(xué)界所公認(rèn)并由國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)予以推薦。M2因子克服了常用光束質(zhì)量評價(jià)方法的局限,用M2因子作為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對激光器系統(tǒng)進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)控及輔助設(shè)計(jì)等具有十分重要的意義。
M2因子評價(jià)方法常用于低功率激光器產(chǎn)生光束截面上光強(qiáng)分布為連續(xù)的激光光束。由于采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,用激光束腰直徑來表示光源發(fā)光面積ΔS=14λd2o,用激光束遠(yuǎn)場發(fā)散角來表示光源發(fā)射立體角ΔΨ=14πθ2f,并把d0θf積用M2因子表示出來,則激光束亮度公式就可表示:B=PΔS·ΔΨ=P(M2)2·λ2(21)這樣,激光束的特征就可以用功率、波長、光束質(zhì)量幾個參數(shù)表示出來,光束質(zhì)量M2因子是表征激光束亮度高、空間相干性好的本質(zhì)參數(shù)。
將光場在空域及頻域的分布來表示光束質(zhì)量M2因子,即M2=4πσsσsv,便可知道M2因子能夠反映光場的強(qiáng)度分布與相位分布的特性〕。相對其它評價(jià)方法來說,M2因子能較好地反映光束質(zhì)量的實(shí)質(zhì),具有較強(qiáng)的普適性,并且積分地反映了光強(qiáng)的空間分布。
M2因子不適合于評價(jià)高能激光的光束質(zhì)量,高能激光的諧振腔一般是非穩(wěn)腔,輸出的激光光束不規(guī)則,將不存在“光腰”,而且,對于能量分布離散型的高能激光光束,由二階矩定義計(jì)算得到的光斑半徑與實(shí)際相差很遠(yuǎn)。得到的M2因子誤差很大。
M2因子要求光束截面的光強(qiáng)分布不能有陡直邊緣,比如對于“超高斯光束”M2因子就不適用。
（來源：網(wǎng)站，版權(quán)歸原作者）
津公網(wǎng)安備12010102000950號
｜
津ICP備17001797號-1
