Die physikalischen Eigenschaften von Laser

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Laser ist eine Art optischer Strahlung, die das Prinzip der stimulierten Strahlung von Atomen oder Molekülen nutzt, um den Arbeitsstoff anzuregen. Alle Photonen im gleichen Laserstrahl haben die gleiche Frequenz, die gleiche Phase und die gleiche Polarisation und Ausbreitungsrichtung. Daher ist der Laser kohärente Lichtstrahlung mit guter Monochromatizität, starker Direktionalität und extrem hoher Helligkeit. Die Laserbearbeitungstechnologie ist eine systematische Technik, die Licht, Mechanik und Elektrizität integriert. Es überschneidet sich auch mit vielen Disziplinen wie Physik, Materialien, Maschinen und Automatisierung. Es ist eines der Grenzgebiete der wissenschaftlichen und technologischen Entwicklung. Lasertechnologie und -geräte haben sich in den letzten Jahren rasant entwickelt und finden in Ländern auf der ganzen Welt zunehmende Aufmerksamkeit.

Eigenschaften von Laser

Als kohärentes Licht hat der Laser viele Eigenschaften.

Gute Monochromatizität

Die Essenz des Lichts ist eine Art elektromagnetischer Wellenstrahlung. Für elektromagnetische Wellenstrahlung gilt: Je länger die Kohärenzlänge, desto schmaler die Spektrallinienbreite und desto reiner die Farbe, dh desto besser die Monochromie des Lichts. Am Beispiel des HeNe-Lasers beträgt die Laserkohärenzlänge etwa 4×10⁴m. Vor dem Aufkommen des Lasers war die beste monochromatische Lichtquelle eine Kryptonlampe, die eine kohärente Lichtstrahlungslänge von etwa 0,78 m erzeugte. Die sichtbare Anregung ist die einfachste Lichtquelle der Welt.

Hohe Helligkeit

Hohe Helligkeit ist ein weiteres herausragendes Merkmal des Lasers. Im Allgemeinen werden die von der Einheitslichtemissionsfläche emittierte Lichtstrahlungsintensität ΔS, die Einheitslichtstrahlungsbreite Δν und der Divergenzwinkel θ als die monochromatische Helligkeit B . definiert_λ der Lichtquelle.

B_λ =P/ΔSΔνθ² (2.1)

In der Formel ist P die Laserleistung.

Obwohl die von der Sonne emittierte Gesamtleistung hoch ist, ist die Lichtstrahlungsbreite Δν sehr groß, der Divergenzwinkel θ groß und die monochromatische Helligkeit immer noch sehr klein.

Obwohl Δν und klein sind, hat der Laser eine hohe monochromatische Helligkeit. Es wird berichtet, dass die monochromatische Helligkeit des Lasers B_λ der von Hochleistungslasern erzeugt wird, ist sogar 100 Billionen Mal höher als die der Sonne.

Starke Direktionalität

Aus dem Mechanismus der Lasererzeugung ist ersichtlich, dass unter der Bedingung des gleichförmigen Ausbreitungsmediums der Divergenzwinkel θ des Lasers nur durch den Eingriff begrenzt ist;

=1,22λ/D (2,2)

In der Formel ist λ die Wellenlänge und D der Durchmesser des Lichtquellenflecks.
Der Abstand zwischen der Erde und der Mondoberfläche beträgt etwa 3,8×10⁵km. Der Laserstrahl erreicht den Mond mit dem besten Fokus, und sein Punktdurchmesser beträgt nur einige Dutzend Meter.

Gute Kohärenz

Das längste Zeitintervall, in dem Licht Kohärenz erzeugt, wird Kohärenzzeit τ genannt. In der Kohärenzzeit wird die weiteste Strecke, die das Licht zurücklegt, als Kohärenzlänge Lc bezeichnet.

L_C =cτ=λ²/Δλ (2.3)

In der Formel ist c die Lichtgeschwindigkeit.
Da die Laserbandbreite Δλ sehr klein ist, ist die Kohärenzlänge Lc sehr groß. Tatsächlich ist die Kohärenz gut, wenn die Monochromatizität gut ist, und die Kohärenzlänge ist auch länger.

Hochkonzentrierte Energie

Einige Militär-, Luftfahrt-, Medizin- und Industrielaser können hohe Laserenergie erzeugen. Zum Beispiel die Ausgangsleistung von Laser für Kernfusion kann bis zu 10 . betragen¹⁸W. Es kann die abstoßende Kraft zwischen den Kernen überwinden und eine Kernfusionsreaktion realisieren. Mit der Entwicklung der Laser-Ultrakurzpulstechnologie können Menschen die Pulsverstärkungstechnologie verwenden, um Laser zu erhalten. Mit Spitzenleistung bis 10¹⁵W aus Ti-dotierten Saphirlasern zur Erzeugung extrem kurzer Laserpulse.

Das Grundprinzip der Lasererzeugung

Die Wechselwirkung von Licht und Materie

Grundannahmen der Atomtheorie

Annahme des atomaren stationären Zustands Alle Materie besteht aus Atomen. Das Atomsystem befindet sich in einer Reihe von diskontinuierlichen Energiezuständen. Um den Kern herum ist die Bahn der Elektronen diskontinuierlich und das Atom befindet sich in einem stabilen Zustand mit konstanter Energie. Er wird als stationärer Zustand des Atoms bezeichnet, und der Zustand, der der niedrigsten Energie des Atoms entspricht, wird als Grundzustand bezeichnet.

Wenn das Elektron in der äußeren Umlaufbahn des Atoms eine bestimmte Energiemenge von außen erhält. Das Elektron springt auf die äußere Bahnbewegung. Die Energie des Atoms nimmt zu, und zu diesem Zeitpunkt wird das Atom Atom im angeregten Zustand genannt.

Frequenzbedingungen Das Atom geht von einem stationären Zustand E₁ in einen anderen stationären Zustand E2. Die Frequenz ν wird durch die folgende Formel bestimmt.

hν= E₂ – E₁ (2.4)

Eine Art monochromatisches Licht entspricht einem Photon, das durch den gleichen Übergang eines Atoms erzeugt wird. hν ist die Energie eines Photons.

Die Wechselwirkung zwischen Strahlungsfeld und Materie, insbesondere die Korresonanzwechselwirkung, legte die physikalische Grundlage für das Aufkommen und die Entwicklung des Lasers. Wenn die Frequenz der einfallenden elektromagnetischen Welle mit der Resonanzfrequenz des Mediums übereinstimmt, tritt Resonanzabsorption (oder Verstärkung) auf. Die Erzeugung von und die Wechselwirkung von Licht und Materie erfordert die Zusammenarbeit von Feld und Medium.

Stimulierte Absorption

Angenommen, die beiden Energieniveaus des Atoms seien E₁ und E₂, und E₁< E₂ wenn ein Photon mit einer Energie, die Formel (2.4) erfüllt, eingestrahlt wird, kann das Atom die Energie dieses Photons absorbieren und vom niedrigen Niveau E₁ Staat auf hohem Niveau Die E₂ Zustand. Diese Art der atomaren Absorption von Photonen und der Übergang von einem niedrigen Energieniveau zu einem hohen Energieniveau wird als stimulierter Absorptionsprozess des Atoms bezeichnet (Abbildung 2.2).

Spontane Strahlung

Der Zustand eines Atoms auf einem hohen Energieniveau nach der Anregung ist instabil. Im Allgemeinen kann es nur in der Größenordnung von 10 bleiben^-8S. Es wird ohne äußere Einwirkung spontan in einen niedrigen Energiezustand zurückkehren und gleichzeitig Energie an die Außenwelt abstrahlen. Für das Photon mit hν = E₂-E₁, dieser Prozess wird als spontaner Emissionsprozess des Atoms bezeichnet. Spontane Strahlung ist zufällig, die Emissionsrichtung und Anfangsphase jedes Strahlungsphotons sind unterschiedlich und die Strahlung jedes Atoms ist unabhängig voneinander, daher ist das Licht der spontanen Strahlung inkohärent Abbildung 2.1.

Stimulierte Emission und optische Verstärkung

Wenn ein Atom auf einem Energieniveau im angeregten Zustand durch ein Photon mit der externen Energie hν und der Formel (2.4) angeregt wird, bevor es spontan emittiert, kann es von einem hochenergetischen Zustand in einen niederenergetischen Zustand übergehen, und bei emittieren gleichzeitig Photonen mit der gleichen Frequenz, der gleichen Phase, der gleichen Richtung und sogar dem gleichen Polarisationszustand mit externen Photonen. Dieser Vorgang wird als stimulierte Emission von Atomen bezeichnet [Abbildung 2.2]

Wenn ein einfallendes Photon eine stimulierte Emission auslöst und ein Photon hinzufügt, lösen diese beiden Photonen weiterhin die stimulierte Emission aus und fügen zwei weitere Photonen hinzu, und dann multiplizieren sich vier Photonen zu acht Photonen… und so weiter, unter der Wirkung eines einfallenden Photons, das Atomsystem kann eine große Anzahl von Photonen mit genau dem gleichen Zustand und den gleichen Eigenschaften erhalten. Dieses Phänomen wird optische Verstärkung genannt. Daher bewirkt der stimulierte Emissionsprozess, dass das Atomsystem eine große Anzahl von Photonen mit der gleichen Frequenz, der gleichen Phase, der gleichen Ausbreitungsrichtung und dem gleichen Polarisationszustand wie das einfallende Licht, d. h. identische Photonen, abstrahlt. Die Lichtverstärkung durch stimulierte Strahlung ist ein wichtiges Grundkonzept im Mechanismus der Lasererzeugung.

Bevölkerungsumkehr

Aus der Definition von spontaner Emission und stimulierter Emission ist ersichtlich, dass die spontane Emission des Lichtemissionsmechanismus gewöhnlicher Lichtquellen dominant ist, die Emission von Lasern jedoch hauptsächlich die stimulierte Emission von Atomen ist. Damit die stimulierte Strahlung das Atomsystem dominiert und weiterhin Laser emittiert. Wir sollten versuchen, die Verteilung des Atomsystems im thermischen Gleichgewicht so zu verändern, dass die Anzahl der Atome auf hohen Energieniveaus weiterhin die Anzahl der Atome auf niedrigen Energieniveaus überschreitet, dh die Anzahl der Teilchen wird erreicht.

Um eine Besetzungsinversion zu erreichen, muss Energie von außen in das System eingebracht werden. Damit möglichst viele Partikel im System Energie aufnehmen. Dann Übergang von einem niedrigen Energieniveau auf ein hohes Energieniveau. Dieser Vorgang wird als Anregungs- oder Pumpvorgang bezeichnet. Die Anregungsverfahren umfassen im Allgemeinen Lichtanregung, Gasentladungsanregung, chemische Anregung und sogar Kernenergieanregung. Rubinlaser verwenden beispielsweise optische Anregung, Helium-Neon-Laser verwenden elektrische Anregung und Farbstofflaser verwenden chemische Anregung.

Laserproduktion Bedingungen

In einem Arbeitsstoff, der eine Populationsinversion erreicht hat (wie Lichtanregung oder elektrische Anregung), kann stimulierte Strahlung dominiert werden, aber das Photon, das zuerst stimulierte Strahlung auslöst, wird durch spontane Strahlung erzeugt, und spontane Strahlung ist zufällig. Daher ist auch die durch stimulierte Strahlung erzielte Lichtverstärkung insgesamt zufällig und ungeordnet. Es muss eine Reihe von Geräten hinzugefügt werden.

Optischer Hohlraum

An den beiden Enden des Arbeitsmaterials sind zwei zueinander parallele Spiegel angebracht. Zwischen den beiden Spiegeln wird ein optischer Resonanzhohlraum gebildet. Einer davon ist ein Totalreflexionsspiegel und der andere ein Teilreflexionsspiegel.

Unter den Photonen, die in alle Richtungen emittiert werden, mit Ausnahme der Photonen, die sich entlang der axialen Richtung ausbreiten. Sie alle verlassen den optischen Resonanzhohlraum schnell, und nur das Licht entlang der axialen Richtung wird kontinuierlich verstärkt, wodurch Schwingungen im Hohlraum hin und her entstehen. Daher wird in der Laserröhre das stufenangepasste Licht kontinuierlich verstärkt, um Licht mit größerer Amplitude zu bilden. Auf diese Weise wird das Licht zwischen den zueinander parallelen Spiegeln an beiden Enden des Rohres hin und her reflektiert. Dann passiert das voll verstärkte Licht einen Teilspiegel, um monochromatisches Licht mit gleicher Phase zu emittieren.

Schwellenzustand der Lichtoszillation

Aus energetischer Sicht erhöht die Lichtschwingung zwar die Lichtintensität, aber die Absorption, Ablenkung und Projektion des Lichts auf die beiden Stirnflächen und das Medium schwächt gleichzeitig die Lichtintensität. Nur wenn die Verstärkung größer als der Verlust ist, kann der Laser ausgegeben werden. Es erfordert, dass die Arbeitssubstanz und der Resonanzhohlraum die Bedingung „Verstärkung größer als der Verlust“ erfüllen. Dies wird auch als Schwellenbedingung bezeichnet.

Frequenzbedingungen

Die Rolle des optischen Resonanzhohlraums erhöht nicht nur die effektive Länge L der Lichtausbreitung. Zwischen den beiden Spiegeln bildet sich aber auch eine leichte stehende Welle. Tatsächlich kann das einzige Licht, das die Bedingungen für stehende Wellen erfüllt, durch stimulierte Strahlung verstärkt werden.

Von L=kλ_n/2(k=1,2,3…),_n=c/nν, wir haben

ν=kc/2nL oder Δν=c/2nL (2,5)

In der Formel ist n eine ganze Zahl und c die Lichtgeschwindigkeit.
Die durch stimulierte Strahlung in der Laserröhre erzeugte Frequenz ν ergibt sich aus Gleichung (2.4)

ν=( E₂ – E₁ )/h (2,6)

In der Formel ist h die Plancksche Konstante.

Damit die Frequenz der Formel (2.5) und der Formel (2.6) entspricht. Die Hohlraumlänge des Resonanzhohlraums muss angepasst werden. Zusammenfassend sind die Grundbedingungen zum Bilden eines Lasers wie folgt.

• Der Arbeitsstoff kann unter Anregung der Anregungsquelle eine Besetzungsumkehr erreichen.
• Der optische Resonanzhohlraum kann die stimulierte Strahlung kontinuierlich verstärken. Das heißt, erfülle die Schwellenbedingung, dass der Gewinn größer als der Verlust ist.
• Erfüllen Sie die Häufigkeitsbedingungen von Formel (2.5) und Formel (2.6)

Charakteristische Parameter der Laserstrahlqualität

Laser sind in vielen Bereichen weit verbreitet, daher werden die Anforderungen an die Laserstrahlqualität immer höher. Strahlparameter (wie Lichtintensitätsverteilung, Strahlbreite und Divergenzwinkel usw.) sind wichtige Faktoren, die die Wirkung von Laseranwendungen bestimmen. Wie man mit einer einfachen, genauen und praktikablen Methode die Strahlqualität von Lasern messen und bewerten kann, die von Lasern emittiert werden, ist zu einem zentralen Thema in der Lasertechnologieforschung geworden. Forscher haben die charakteristischen Parameter K . der Laserstrahlfokussierung verwendet_F, Beugungsgrenze Vielfaches M² Faktor, Fernfelddivergenzwinkel θ₀, Strahlbeugungsgrenzenmultiplikator β und Strehlverhältnis S_R zur Beurteilung der Laserstrahlqualität, diese Methoden eignen sich jedoch für unterschiedliche Die Laserqualitätsbewertung der Anwendung hat sich nicht als einheitlicher Standard für die Beurteilung der Laserstrahlqualität herausgestellt.

Kenngröße der Strahlfokussierung K_F

Der charakteristische Parameter Kf der Strahlfokussierung, auch bekannt als Strahlparameterprodukt (BPP, Strahlparameterprodukt), ist definiert als 1/4 des Produkts des Strahltaillendurchmessers d₀ und der Strahlfernfelddivergenzwinkel θ₀

K_F=d₀θ₀/4 (2.7)

Gleichung (2.7) beschreibt das Prinzip, dass das Produkt aus Strahltaillendurchmesser und Fernfelddivergenzwinkel konstant ist und K_F ist eine Konstante im gesamten Strahltransmissionskonversionssystem, die sich zur Beurteilung der Laserstrahlqualität im industriellen Bereich eignet

Das Beugungsgrenzwertvielfache M² Faktoren

1988 definierte AE Siegman das durch das zweite Moment ausgedrückte Strahlbreitenprodukt basierend auf der räumlichen Schwelle des tatsächlichen Strahls und der räumlichen Frequenzschwelle als Strahlqualität M² Faktor, der der unendlichen Menge an Informationen entspricht, die die komplexe Amplitude der Lichtwelle beschreiben, durch die Rechteckform zweiter Ordnung, um den Kombinationsfaktor zu extrahieren, eine vernünftigere Beschreibung der Laserstrahlqualität, wurde von der Internationalen Organisation für Normung 1SO/TC172/SC9/WG1 Normentwurf 1991. Die M² Faktor ist definiert als

M2 = (tatsächlicher Strahltaillendurchmesser x tatsächlicher Strahlfeldemissionswinkel)/(idealer Strahltaillendurchmesser x idealer Strahlfeldemissionswinkel) = (πd0θ0 )/(4λ) (2,8)

In der Formel d₀ ist der Durchmesser der Laserstrahltaille: θ₀ Ist der Fernfelddivergenzwinkel; λ ist die Wellenlänge.

Sie² Faktor ist ein häufig verwendeter Parameter zur Bewertung der Qualität von Laserstrahlen und wird auch als Strahlqualitätsfaktor bezeichnet. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass die Definition des M² Faktor basiert auf der Matrixdefinition zweiter Ordnung der Strahlbreite in der räumlichen Schwelle und der räumlichen Frequenzschwelle. Die Strahltaillenbreite des Laserstrahls wird durch die Lichtintensitätsverteilung im Querschnitt der Strahltaille bestimmt, und der Fernfelddivergenzwinkel wird durch die Phasenverteilung bestimmt. Daher ist das M² Faktor kann die Intensitätsverteilungs- und Phasenverteilungseigenschaften des Lichtfeldes widerspiegeln und charakterisiert das Ausmaß, in dem ein tatsächlicher Strahl von der begrenzenden Beugungsdivergenzgeschwindigkeit abweicht. Je größer das M² Faktor, desto schneller markiert der Strahl eine Divergenz.

Fernfelddivergenzwinkel θ

Unter der Annahme, dass der Laserstrahl entlang der z-Achse übertragen wird, beträgt der Fernfelddivergenzwinkel θ0, ausgedrückt durch die Asymptotenformel als

θ₀=lim=(w(z))/z (2.9)

In der Formel ist w(z) der Strahltaillenradius, wenn sich der Laser zur z-Achse ausbreitet. Der Fernfelddivergenzwinkel charakterisiert die Divergenzcharakteristik des Strahlausbreitungsprozesses, offensichtlich θ₀ Je größer die Strahldivergenz, desto schneller. Bei der eigentlichen Messung wird nach Fokussieren oder Aufweiten des gemessenen Laserstrahls unter Verwendung einer Fokussieroptik oder eines Strahlaufweitungs-Fokussiersystems das Verhältnis der in der Brennebene gemessenen Strahlbreite zur Brennweite der Fokussieroptik verwendet, um die Ferne zu erhalten -Felddivergenzwinkel. Wegen₀, kann die Größe durch Strahlaufweitung oder Fokussierung (z. B. durch Verwendung eines Teleskops zum Aufweiten des Strahls) geändert werden, sodass es nicht genau ist, den Fernfelddivergenzwinkel als Strahlqualitätskriterium zu verwenden.

Laserstrahlhelligkeit B

Die Helligkeit ist ein wichtiger Parameter, der die Eigenschaften von Lasern beschreibt. Nach traditionellen optischen Konzepten bezieht sich die Helligkeit eines Laserstrahls auf die Energie, die von einer Einheitsfläche der Lichtquellenoberfläche senkrecht zu einem Einheitsraumwinkel emittiert wird, ausgedrückt als

B =P/ΔSΔΩ (2.10)

In der Formel ist P die Gesamtleistung (oder Energie), die von der Lichtquelle emittiert wird; ΔS ist der lichtemittierende Bereich der Einheitslichtquelle; ΔΩ ist der Emissionsraumwinkel. Der Laserstrahl wird in einem verlustfreien Medium oder in einem verlustfreien optischen System übertragen und die Helligkeit der Lichtquelle bleibt unverändert.

Äquivalenter Strahlgütefaktor M²_e

Da innerhalb der durch das Moment zweiter Ordnung definierten äquivalenten Spotgröße der prozentuale Anteil der Strahlleistung an der Gesamtleistung von der Lichtfeldverteilung abhängt, gibt eine Methode zur Beschreibung der Strahlqualität an: die Strahltaillen-Fleckgröße und die -Felddivergenzwinkel im Bereich definiert, das Verhältnis der Laserleistung zur Gesamtleistung beträgt 86,5% und sein äquivalenter Strahlqualitätsfaktor ist

m²_e =πω86,5θ86,5/λ (2.11)

In der Formel ist ω der Strahltaillenradius; θ ist der Fernfelddivergenzwinkel.

Strahlbeugungsgrenze Mehrfachfaktor β

Aus dem Fernfelddivergenzwinkel θ. Der β-Wert kann definiert werden als

β=(Fernfelddivergenzwinkel des tatsächlichen Strahls)/(Fernfelddivergenzwinkel des idealen Strahls)=θ₀/θ_NS (2.12)

Der β-Wert charakterisiert den Grad der Abweichung der Strahlqualität des gemessenen Laserstrahls von der idealen Strahlqualität unter gleichen Bedingungen. Der β-Wert des gemessenen Lasers ist im Allgemeinen größer als 1. Je näher der β-Wert an 1 liegt, desto besser ist die Strahlqualität. β=1 ist die Beugungsgrenze. Der β-Wert wird hauptsächlich verwendet, um den gerade vom Laserresonator emittierten Laserstrahl zu bewerten. Es kann die Qualität des Nahfeldstrahls vernünftig beurteilen. Es ist ein statischer Leistungsindex und berücksichtigt nicht den Einfluss der Atmosphäre auf die Laserstreuungsturbulenz. Die Messung des β-Wertes ist abhängig von Für die genaue Messung des Strahl-Fernfeld-Divergenzwinkels ist es nicht für die Auswertung von Fernstrahlen geeignet.

Strehlzahl S_R

Strehlzahl S_R ist definiert als

S_R=(Spitzenlichtintensität auf der tatsächlichen optischen Achse)/(Spitzenlichtintensität auf der optischen Achse) / =exp-(2π/λ)2(ΔΦ)2 (2.13)

In der Formel bezieht sich ΔΦ auf die Wellenfrontverzerrung, die die Verschlechterung der Strahlqualität verursacht. S_R reflektiert die Spitzenlichtintensität auf der Fernfeldachse. Sie hängt von der Wellenfrontverzerrung ab und kann den Einfluss der Strahlwellenfrontverzerrung auf die Strahlqualität besser widerspiegeln. Das Strehl-Verhältnis wird häufig in der atmosphärischen Optik verwendet, hauptsächlich zur Bewertung der Leistung adaptiver Optiksysteme zur Verbesserung der Strahlqualität. Aber S_R reflektiert nur die Spitzenlichtintensität auf der optischen Fernfeldachse und kann nicht die Lichtintensitätsverteilung wiedergeben, die Energieanwendungen betreffen. Außerdem kann es die Strahlqualität nur grob widerspiegeln und kann keine sehr hilfreiche Orientierung beim Design optischer Systeme geben.

Umgebungsenergieverhältnis BQ-Wert

Das Umgebungsenergieverhältnis, auch bekannt als Leistungsverhältnis auf der Zieloberfläche (oder im Lauf), ist definiert als die Umgebungsenergie (oder Leistung) des tatsächlichen Spots innerhalb der angegebenen Größe und die Umgebungsenergie (oder Leistung) des idealer Fleck innerhalb derselben Größe und idealer innerhalb derselben Größe Die Quadratwurzel des Verhältnisses der Energie (oder Leistung) um den Fleck herum. Sein Ausdruck ist

BQ=√(E/E₀) oder BQ=√(P/P₀) (2.14)

In der Formel ist E₀ (Oder P₀) und E (oder P) sind jeweils die ideale Umgebungsenergie (oder Leistung) des Strahlflecks und die gemessene tatsächliche Umgebungsenergie (oder Leistung) des Strahlflecks innerhalb der spezifizierten Größe auf dem Ziel. Der BQ-Wert dient der Energieübertragung und -kopplung Diese Art von Anwendung kombiniert die Energiekonzentration des Strahls auf dem Ziel, um die Fernfeld-Strahlqualität zu bewerten. Der BQ-Wert beinhaltet atmosphärische Faktoren. Es handelt sich um einen umfassenden Index, der die Strahlqualität aus Sicht von Ingenieuranwendungen und Schadenswirkungen beschreibt und ein dynamischer Index des von der Atmosphäre beeinflussten Lasersystems ist. Der BQ-Wert steht in direktem Zusammenhang zwischen Strahlqualität und Leistungsdichte und spiegelt die Energiekonzentration wider. Es hat praktische Bedeutung für das Studium der Energiekopplung und der zerstörenden Wirkungen des starken Lasers und des Ziels.

Zusätzlich zu den oben genannten Parametern werden häufig Modenreinheit, räumliche Kohärenz und globale Kohärenz verwendet, um die Strahlqualität von Lasern zu beschreiben. Verschiedene Parameter zur Beurteilung der Strahlqualität haben ihre eigenen Vorteile und Grenzen. Tabelle 2.1 fasst die Vor- und Nachteile verschiedener Parameter und anwendbarer Felder zusammen.

Parameter	Vorteile	Einschränkungen	Anwendungen
KF	Beinhaltet nur die beiden Faktoren Strahldurchmesser und Fernfelddivergenzwinkel des Strahls	Es kann die räumliche Verteilung der Lichtintensität nicht widerspiegeln	Es ist für industrielle Bereiche geeignet
m2 Faktor	Sie können den Fernfelddivergenzwinkel und den Modengehalt höherer Ordnung des Strahls objektiv widerspiegeln und die Transformationsbeziehung der Strahltransmission analysieren und charakterisieren	Die Einführung von Wellenlängenparametern eignet sich nicht zum Vergleich der Qualität von Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge	Die Strahlbreite und Divergenz basierend auf dem Momentenwinkel zweiter Ordnung, geeignet für den Bereich der linearen Strahlübertragung
θ0	Es charakterisiert den Grad der Strahldivergenz	Kann die räumliche Verteilung der Lichtintensität nicht widerspiegeln	Einfaches Verständnis der Strahleigenschaften
B	Charakterisiert die Kohärenz des Strahls	Kann die räumliche Verteilung der Lichtintensität nicht widerspiegeln	Anzeige und Beleuchtung
m2e	Definiert die Strahlbreite gemäß 86.5% der Lichtstärke	Die Einführung von Wellenlängenparametern eignet sich nicht zum Vergleich der Qualität von Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge
β	Es muss nur ein Parameter von θ gemessen werden	θ kann geändert werden, die Standardstrahlauswahl ist nicht einheitlich	Die Qualitätsbewertung des instabilen Hohlraumlaserstrahls
SR	Kann die Spitzenlichtintensität objektiv auf der Achse widerspiegeln	Kann die räumliche Verteilung der Lichtintensität nicht widerspiegeln	Atmosphärenoptik und optisches Radar
BQ-Ventil	Reflektiert die Energiekonzentration am Brennfleck im Fernfeld des Strahls	Die Leistung im Lauf kann aus verschiedenen Strahlenergieverteilungen gewonnen werden	Die Qualität des instabilen Resonator-Laserstrahls wird bewertet
Modusreinheit	Ein Maß für die Abweichung der tatsächlichen Strahlintensitätsverteilung von der idealen Strahlintensitätsverteilung	Nicht universell
Räumliche Kohärenz	Reflektiert die räumliche Kohärenz des Strahls	Nicht universell
Der globale Kohärenzgrad	Reflektiert die räumliche Kohärenz des Strahls	Nicht universell

Die Ausgangsform des Laserstrahls

Die räumliche Form des Laserstrahls wird durch die Resonanzkavität des Lasers bestimmt. Unter gegebenen Randbedingungen wird die elektromagnetische Feldverteilung im Resonanzraum durch Lösen der Wellengleichung bestimmt. In einem kreissymmetrischen Hohlraum gibt es eine einfache räumliche Form des transversalen elektromagnetischen Feldes.

Die transversale elektromagnetische Feldverteilung in der Kavität wird als Transversalmode in der Kavität bezeichnet, die durch TEM . ausgedrückt wird_mn. TEM₀₀ stellt die Grundschwingung dar, TEM₀₁, TEM₀₂ und TEM₁₀, TEM₁₁, TEM₂₀ repräsentieren Moden niedriger Ordnung und TEM₀₃, TEM_04, und TEM₃₀, TEM₃₃, TEM₂₁, usw. repräsentieren Moden höherer Ordnung. Die Ausgabe der meisten Laser ist der Modus höherer Ordnung. Um die Ausgabe des Grundmodus oder des Modus niedriger Ordnung zu erhalten, ist es notwendig, eine Modusauswahltechnologie zu verwenden.

Gegenwärtig basieren die gebräuchlichen Modellauswahltechniken darauf, den Beugungsverlust in der Kavität zu erhöhen. Ein Verfahren besteht darin, die Resonatorlänge zu erhöhen, indem man eine multirefraktive Kavität verwendet, um den Beugungsverlust in der Kavität zu erhöhen. Die andere Methode besteht darin, den Durchmesser der Entladungsröhre des Lasers zu verringern oder die Resonatorlänge zu erhöhen. Der Kavität wird eine kleine Aperturblende hinzugefügt. Der Beugungsverlust des Grundmodenstrahls ist sehr groß und kann die Beugungsgrenze erreichen, so dass der Divergenzwinkel des Grundmodenstrahls klein ist. Im Hinblick auf die Erhöhung der Laserpumpeffizienz sollte das Hohlraummodenvolumen so weit wie möglich das gesamte aktive Medium ausfüllen, d₀₀ Modenausgang dominiert, während bei der Laseroszillation höherer Moden die Grundmode nur einen kleinen Teil der Laserleistung ausmacht. Teil, so dass die Ausgangsleistung im Modus höherer Ordnung groß ist.