ลักษณะทางกายภาพของเลเซอร์

เวลาอ่านโดยประมาณ: 19 นาที

เลเซอร์เป็นรังสีแสงชนิดหนึ่งที่ใช้หลักการของรังสีกระตุ้นของอะตอมหรือโมเลกุลเพื่อกระตุ้นสารทำงาน โฟตอนทั้งหมดในลำแสงเลเซอร์เดียวกันมีความถี่เท่ากัน เฟสเดียวกัน และมีทิศทางการโพลาไรซ์และการแพร่กระจายเหมือนกัน ดังนั้นเลเซอร์จึงเป็นการแผ่รังสีแสงที่สัมพันธ์กันโดยมีเอกรงค์ที่ดี ทิศทางที่ชัดเจน และความสว่างสูงมาก เทคโนโลยีการประมวลผลด้วยเลเซอร์เป็นระบบวิศวกรรมที่รวมแสง กลศาสตร์ และไฟฟ้าเข้าด้วยกัน นอกจากนี้ยังผสมผสานกับหลายสาขาวิชา เช่น ฟิสิกส์ วัสดุ เครื่องจักร และระบบอัตโนมัติ มันเป็นหนึ่งในพื้นที่ชายแดนของการพัฒนาทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี เทคโนโลยีและอุปกรณ์เลเซอร์มีการพัฒนาอย่างรวดเร็วในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา และได้รับความสนใจเพิ่มขึ้นจากประเทศต่างๆ ทั่วโลก

คุณสมบัติของเลเซอร์

เลเซอร์มีลักษณะเฉพาะหลายประการ เนื่องจากเป็นแสงที่สัมพันธ์กัน

เอกรงค์ที่ดี

สาระสำคัญของแสงคือการแผ่รังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดหนึ่ง สำหรับการแผ่รังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ยิ่งความยาวเชื่อมโยงกันนานขึ้น ความกว้างของเส้นสเปกตรัมก็จะยิ่งแคบลง และสีที่บริสุทธิ์ยิ่งขึ้น กล่าวคือ ความเป็นเอกรงค์ของแสงก็จะยิ่งดีขึ้นเท่านั้น ยกตัวอย่างเลเซอร์ HeNe ความยาวของเลเซอร์ที่เชื่อมโยงกันจะอยู่ที่ประมาณ 4×10⁴NS. ก่อนการกำเนิดของเลเซอร์ แหล่งกำเนิดแสงแบบเอกรงค์ที่ดีที่สุดคือหลอดคริปทอน ซึ่งให้ความยาวที่สอดคล้องกันของการแผ่รังสีแสงประมาณ 0.78 ม. การกระตุ้นที่มองเห็นได้เป็นแหล่งกำเนิดแสงที่ง่ายที่สุดในโลก

ความสว่างสูง

ความสว่างสูงเป็นอีกหนึ่งคุณสมบัติที่โดดเด่นของเลเซอร์ โดยทั่วไป ความเข้มของการแผ่รังสีของแสงที่ปล่อยออกมาจากพื้นที่เปล่งแสงของหน่วย ΔS ความกว้างของการแผ่รังสีของหน่วย Δν และมุมไดเวอร์เจนซ์ θ ถูกกำหนดเป็นความสว่างแบบเอกรงค์ B_λ ของแหล่งกำเนิดแสง

NS_λ =P/ΔSΔνθ² (2.1)

ในสูตร P คือกำลังแสงเลเซอร์

แม้ว่าพลังงานทั้งหมดที่ปล่อยออกมาจากดวงอาทิตย์จะสูง แต่ความกว้างของการแผ่รังสีของแสง Δν นั้นกว้างมาก มุมไดเวอร์เจนซ์ θ นั้นใหญ่ และความสว่างแบบเอกรงค์ก็ยังเล็กมาก

แม้ว่า Δν และ θ จะเล็ก แต่เลเซอร์ก็มีความสว่างแบบเอกรงค์สูง มีรายงานว่าเลเซอร์ความสว่างขาวดำB_λ ที่ผลิตโดยเลเซอร์กำลังสูงนั้นสูงกว่าดวงอาทิตย์ถึง 100 ล้านล้านเท่า

ทิศทางที่แข็งแกร่ง

จะเห็นได้จากกลไกการสร้างเลเซอร์ว่าภายใต้เงื่อนไขของตัวกลางการแพร่กระจายสม่ำเสมอ มุมไดเวอร์เจนซ์ θ ของเลเซอร์จะถูกจำกัดโดยการปะทะเท่านั้น

θ=1.22λ/D (2.2)

ในสูตร λ คือความยาวคลื่นและ D คือเส้นผ่านศูนย์กลางของแหล่งกำเนิดแสง
ระยะห่างระหว่างโลกกับพื้นผิวดวงจันทร์ประมาณ 3.8×10⁵กม. ลำแสงเลเซอร์ไปถึงดวงจันทร์ด้วยจุดโฟกัสที่ดีที่สุด และเส้นผ่านศูนย์กลางเฉพาะจุดมีเพียงสิบเมตรเท่านั้น

ความเชื่อมโยงที่ดี

ช่วงเวลาที่ยาวที่สุดในระหว่างที่แสงทำให้เกิดการเชื่อมโยงกันเรียกว่าเวลาที่เชื่อมโยงกัน τ ในช่วงเวลาเชื่อมโยงกัน ระยะทางที่แสงเดินทางไกลที่สุดเรียกว่าความยาวเชื่อมโยงกัน Lc

หลี่_ค =cτ=λ²/Δλ (2.3)

ในสูตร c คือความเร็วแสง
เนื่องจากแบนด์วิดท์เลเซอร์ Δλ มีขนาดเล็กมาก ความยาวเชื่อมโยง Lc จึงยาวมาก อันที่จริงแล้ว ถ้าเอกรงค์นั้นดี ความเชื่อมโยงกันก็ดี และความยาวที่เชื่อมโยงกันก็จะยาวขึ้นเช่นกัน

พลังงานเข้มข้น

เลเซอร์ทางทหาร การบิน การแพทย์ และอุตสาหกรรมบางชนิดสามารถผลิตพลังงานเลเซอร์ได้สูง ตัวอย่างเช่น กำลังขับของ เลเซอร์ สำหรับนิวเคลียร์ฟิวชันอาจสูงถึง 10¹⁸W. มันสามารถเอาชนะแรงผลักระหว่างนิวเคลียสและทำให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันได้ ด้วยการพัฒนาเทคโนโลยีเลเซอร์พัลส์เกินขีด ผู้คนสามารถใช้เทคโนโลยีการขยายพัลส์เพื่อรับเลเซอร์ ด้วยกำลังสูงสุดถึง10¹⁵W จากอุปกรณ์เลเซอร์แซฟไฟร์ Ti-doped ที่ใช้เพื่อสร้างพัลส์เลเซอร์ที่สั้นมาก

หลักการพื้นฐานของการสร้างเลเซอร์

ปฏิสัมพันธ์ของแสงและสสาร

สมมติฐานพื้นฐานของทฤษฎีอะตอม

สมมติฐานของสถานะนิ่งของอะตอม สสารทั้งหมดประกอบด้วยอะตอม ระบบอะตอมอยู่ในชุดของสถานะพลังงานที่ไม่ต่อเนื่อง รอบนิวเคลียส วงโคจรของอิเล็กตรอนจะไม่ต่อเนื่อง และอะตอมมีสถานะคงที่และมีพลังงานคงที่ เรียกว่าสถานะนิ่งของอะตอมและสถานะที่สอดคล้องกับพลังงานต่ำสุดของอะตอมเรียกว่าสถานะพื้นดิน

หากอิเล็กตรอนในวงโคจรรอบนอกของอะตอมได้รับพลังงานจำนวนหนึ่งจากภายนอก อิเล็กตรอนจะกระโดดไปยังวงโคจรรอบนอก พลังงานของอะตอมเพิ่มขึ้น และในเวลานี้เรียกว่าอะตอมในสภาวะตื่นเต้น

เงื่อนไขความถี่ อะตอมเปลี่ยนจากสถานะคงที่หนึ่ง E₁ ไปยังสถานะคงที่อื่น E2 ความถี่ ν ถูกกำหนดโดยสูตรต่อไปนี้

hν= อี₂ – อี₁ (2.4)

แสงสีเดียวชนิดหนึ่งสอดคล้องกับโฟตอนที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงของอะตอมแบบเดียวกัน h คือ พลังงานของโฟตอน

ปฏิสัมพันธ์ระหว่างสนามรังสีและสสาร โดยเฉพาะอย่างยิ่งปฏิกิริยาร่วมด้วยเรโซแนนซ์ ได้วางรากฐานทางกายภาพสำหรับการถือกำเนิดและการพัฒนาของเลเซอร์ เมื่อความถี่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าตกกระทบมีความสอดคล้องกับความถี่เรโซแนนซ์ของตัวกลาง การดูดกลืน (หรือเกน) เรโซแนนซ์จะเกิดขึ้น การสร้างและปฏิสัมพันธ์ของแสงและสสารจะเกี่ยวข้องกับความร่วมมือของภาคสนามและสื่อ

การดูดซึมกระตุ้น

สมมติว่าระดับพลังงานสองระดับของอะตอมคือ E₁ และอี₂, และ E₁< อี₂ หากมีโฟตอนที่มีสูตรพลังงานที่น่าพอใจ (2.4) ฉายรังสี อะตอมอาจดูดซับพลังงานของโฟตอนนี้และเปลี่ยนจาก E ระดับต่ำ₁ รัฐในระดับสูง E₂ สถานะ. การดูดกลืนโฟตอนของอะตอมประเภทนี้และการเปลี่ยนจากระดับพลังงานต่ำไปเป็นระดับพลังงานสูง เรียกว่ากระบวนการดูดกลืนแสงของอะตอม (รูปที่ 2.2)

รังสีที่เกิดขึ้นเอง

สถานะของอะตอมที่ระดับพลังงานสูงหลังจากตื่นเต้นนั้นไม่เสถียร โดยทั่วไปสามารถอยู่ในคำสั่งของ10 .เท่านั้น^-8NS. มันจะกลับสู่สถานะพลังงานต่ำโดยธรรมชาติโดยไม่มีอิทธิพลจากภายนอก และในขณะเดียวกันก็แผ่พลังงานออกสู่โลกภายนอก สำหรับโฟตอนด้วย hν = E₂-E₁กระบวนการนี้เรียกว่ากระบวนการปลดปล่อยอะตอมเอง รังสีที่เกิดขึ้นเองเป็นแบบสุ่ม ทิศทางการปล่อยและเฟสเริ่มต้นของแต่ละโฟตอนของรังสีต่างกัน และการแผ่รังสีของอะตอมแต่ละอะตอมเป็นอิสระจากกัน ดังนั้นแสงของรังสีที่เกิดขึ้นเองจึงไม่ต่อเนื่องกัน รูปที่ 2.1

การปล่อยสารกระตุ้นและการขยายแสง

อะตอมที่ระดับพลังงานของรัฐที่ถูกกระตุ้น หากถูกกระตุ้นโดยโฟตอนที่มีพลังงานภายนอก hν และสูตรที่น่าพอใจ (2.4) ก่อนที่มันจะปล่อยก๊าซธรรมชาติออกมา มันอาจเปลี่ยนจากสถานะพลังงานสูงไปเป็นสถานะพลังงานต่ำ และที่ ในเวลาเดียวกันปล่อยโฟตอนด้วยความถี่เดียวกัน เฟสเดียวกัน ทิศทางเดียวกัน และแม้แต่สถานะโพลาไรเซชันเดียวกันกับโฟตอนภายนอก กระบวนการนี้เรียกว่าการปล่อยอะตอมที่ถูกกระตุ้น [รูปที่ 2.2]

ถ้าโฟตอนตกกระทบกระตุ้นการปล่อยและเติมโฟตอนหนึ่งโฟตอน โฟตอนทั้งสองนี้ยังคงกระตุ้นการปล่อยที่ถูกกระตุ้นและเพิ่มโฟตอนอีกสองโฟตอน จากนั้นโฟตอนสี่ตัวจะคูณเป็นแปดโฟตอน... และอื่นๆ ภายใต้การกระทำของหนึ่งโฟตอนตกกระทบ ระบบอะตอม อาจได้รับโฟตอนจำนวนมากที่มีสถานะและลักษณะเหมือนกันทุกประการ ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าการขยายแสง ดังนั้น กระบวนการปล่อยรังสีที่ถูกกระตุ้นทำให้ระบบอะตอมปล่อยโฟตอนจำนวนมากที่มีความถี่เท่ากัน เฟสเดียวกัน ทิศทางการแพร่กระจายเดียวกัน และสถานะโพลาไรเซชันเดียวกันกับแสงตกกระทบ นั่นคือ โฟตอนเหมือนกัน การขยายแสงที่เกิดจากรังสีกระตุ้นเป็นแนวคิดพื้นฐานที่สำคัญในกลไกการสร้างเลเซอร์

การกลับรายการประชากร

จากคำจำกัดความของการปล่อยก๊าซธรรมชาติและการปล่อยก๊าซกระตุ้น จะเห็นได้ว่ากลไกการเปล่งแสงที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติของแหล่งกำเนิดแสงธรรมดามีความโดดเด่น แต่การปล่อยเลเซอร์ส่วนใหญ่กระตุ้นการปลดปล่อยอะตอม เพื่อให้รังสีที่ถูกกระตุ้นครอบงำระบบอะตอมและทำให้ปล่อยเลเซอร์ต่อไป เราควรพยายามเปลี่ยนการกระจายของระบบอะตอมเมื่ออยู่ในสภาวะสมดุลทางความร้อนเพื่อให้จำนวนอะตอมที่ระดับพลังงานสูงยังคงเกินจำนวนอะตอมที่ระดับพลังงานต่ำ กล่าวคือ บรรลุจำนวนอนุภาคแล้ว

เพื่อให้เกิดการผกผันของประชากร พลังงานจะต้องป้อนเข้าสู่ระบบจากภายนอก เพื่อให้อนุภาคในระบบดูดซับพลังงานให้ได้มากที่สุด จากนั้นเปลี่ยนจากระดับพลังงานต่ำเป็นระดับพลังงานสูง กระบวนการนี้เรียกว่ากระบวนการกระตุ้นหรือสูบน้ำ วิธีการกระตุ้นโดยทั่วไป ได้แก่ การกระตุ้นด้วยแสง การกระตุ้นการปล่อยก๊าซ การกระตุ้นด้วยสารเคมี และแม้แต่การกระตุ้นด้วยพลังงานนิวเคลียร์ ตัวอย่างเช่น เลเซอร์ทับทิมใช้การกระตุ้นด้วยแสง เลเซอร์ฮีเลียม-นีออนใช้การกระตุ้นด้วยไฟฟ้า และเลเซอร์สีย้อมใช้การกระตุ้นทางเคมี

การผลิตเลเซอร์ เงื่อนไข

ในสารทำงานที่มีการผกผันของประชากร (เช่น การกระตุ้นด้วยแสงหรือการกระตุ้นด้วยไฟฟ้า) การแผ่รังสีที่ถูกกระตุ้นสามารถครอบงำได้ แต่โฟตอนที่กระตุ้นการแผ่รังสีในครั้งแรกนั้นจะเกิดขึ้นจากการแผ่รังสีที่เกิดขึ้นเอง และการแผ่รังสีที่เกิดขึ้นเองนั้นเป็นการสุ่ม ดังนั้นการขยายแสงที่เกิดจากรังสีที่ถูกกระตุ้นจึงเป็นแบบสุ่มและไม่เป็นระเบียบในภาพรวม มันต้องเพิ่มชุดอุปกรณ์

ช่องแสง

มีการติดตั้งกระจกสองบานที่ขนานกันที่ปลายทั้งสองของวัสดุการทำงาน ช่องเรโซแนนซ์แสงเกิดขึ้นระหว่างกระจกทั้งสอง อันหนึ่งเป็นกระจกสะท้อนแสงทั้งหมด และอีกอันเป็นกระจกสะท้อนแสงบางส่วน

ในบรรดาโฟตอนที่ปล่อยออกมาในทุกทิศทาง ยกเว้นโฟตอนที่แพร่กระจายไปตามทิศทางแกน พวกเขาทั้งหมดออกจากช่องเรโซแนนซ์แสงอย่างรวดเร็ว และมีเพียงแสงตามทิศทางแกนเท่านั้นที่จะถูกขยายอย่างต่อเนื่อง ทำให้เกิดการสั่นในช่องกลับไปกลับมา ดังนั้น ในหลอดเลเซอร์ แสงที่ปรับแบบเป็นขั้นจะถูกขยายอย่างต่อเนื่องเพื่อสร้างแสงที่มีแอมพลิจูดมากขึ้น ด้วยวิธีนี้ แสงจะสะท้อนกลับไปกลับมาระหว่างกระจกที่ขนานกันที่ปลายทั้งสองของหลอด จากนั้นแสงที่ขยายเต็มที่จะส่องผ่านกระจกบางส่วนเพื่อปล่อยแสงสีเดียวที่มีเฟสเดียวกัน

เงื่อนไขเกณฑ์ของการสั่นของแสง

จากมุมมองของพลังงาน แม้ว่าการสั่นของแสงจะเพิ่มความเข้มของแสง การดูดกลืน การโก่งตัว และการฉายภาพของแสงที่ปลายทั้งสองด้านและตัวกลางในเวลาเดียวกันจะทำให้ความเข้มของแสงลดลง เฉพาะเมื่อเกนมากกว่าการสูญเสีย เลเซอร์สามารถส่งออกได้ มันต้องใช้สารทำงานและโพรงเรโซแนนซ์เพื่อให้เป็นไปตามเงื่อนไขของ "กำไรที่มากกว่าการสูญเสีย" เรียกอีกอย่างว่าเงื่อนไขธรณีประตู

เงื่อนไขความถี่

บทบาทของช่องเรโซแนนซ์แสงไม่เพียงแต่เพิ่มความยาวประสิทธิผล L ของการแพร่กระจายแสงเท่านั้น แต่ยังสร้างคลื่นแสงนิ่งระหว่างกระจกทั้งสองบาน อันที่จริง แสงเดียวที่ตอบสนองสภาวะคลื่นนิ่งสามารถขยายได้ด้วยรังสีที่ถูกกระตุ้น

จาก L=kλ_NS/2(k=1,2,3…), λ_NS=c/nν เรามี

ν=kc/2nL หรือ Δν=c/2nL (2.5)

ในสูตร n เป็นจำนวนเต็มและ c คือความเร็วแสง
หาความถี่ ν ที่เกิดจากรังสีที่ถูกกระตุ้นในหลอดเลเซอร์ได้จากสมการ (2.4)

ν=( อี₂ – อี₁ )/ชม. (2.6)

ในสูตร h คือค่าคงที่ของพลังค์

เพื่อให้ความถี่เป็นไปตามสูตร (2.5) และสูตร (2.6) ต้องปรับความยาวช่องของช่องเรโซแนนซ์ โดยสรุป เงื่อนไขพื้นฐานในการขึ้นรูปเลเซอร์มีดังนี้

• สารทำงานสามารถบรรลุการพลิกกลับของประชากรภายใต้การกระตุ้นของแหล่งกระตุ้น
• ช่องเรโซแนนซ์แสงสามารถขยายรังสีที่ถูกกระตุ้นได้อย่างต่อเนื่อง นั่นคือตรงตามเงื่อนไขเกณฑ์ที่กำไรมากกว่าการสูญเสีย
• ตอบสนองเงื่อนไขความถี่ของสูตร (2.5) และสูตร (2.6)

พารามิเตอร์ลักษณะของคุณภาพลำแสงเลเซอร์

เลเซอร์มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในหลายสาขา ดังนั้นข้อกำหนดสำหรับคุณภาพของลำแสงเลเซอร์จึงสูงขึ้นเรื่อยๆ พารามิเตอร์ของลำแสง (เช่น การกระจายความเข้มของแสง ความกว้างของลำแสง และมุมเบี่ยงเบน ฯลฯ) เป็นปัจจัยสำคัญที่กำหนดผลกระทบของการใช้งานเลเซอร์ วิธีการใช้วิธีที่ง่าย แม่นยำ และปฏิบัติได้จริงในการวัดและประเมินคุณภาพลำแสงของเลเซอร์ที่ปล่อยออกมาจากเลเซอร์ได้กลายเป็นประเด็นสำคัญในการวิจัยเทคโนโลยีเลเซอร์ นักวิจัยได้ใช้พารามิเตอร์คุณลักษณะการโฟกัสลำแสงเลเซอร์ K_NS, การเลี้ยวเบนจำกัดหลาย M² แฟกเตอร์ มุมไดเวอร์เจนซ์ระยะไกล θ₀, การเลี้ยวเบนของลำแสงจำกัดหลายปัจจัย β และอัตราส่วน Strehl S_NS เพื่อประเมินคุณภาพลำแสงเลเซอร์ แต่วิธีการเหล่านี้มีความเหมาะสมแตกต่างกัน การประเมินคุณภาพเลเซอร์ของการใช้งานล้มเหลวในการสร้างมาตรฐานแบบครบวงจรสำหรับการประเมินคุณภาพของลำแสงเลเซอร์

พารามิเตอร์ลักษณะเฉพาะของลำแสงโฟกัส K_NS

พารามิเตอร์ลักษณะเฉพาะของลำแสงโฟกัส Kf หรือที่เรียกว่าผลิตภัณฑ์พารามิเตอร์ลำแสง (BPP, ผลิตภัณฑ์พารามิเตอร์ลำแสง) ถูกกำหนดให้เป็น 1/4 ของผลิตภัณฑ์ของเส้นผ่านศูนย์กลางเอวลำแสง d₀ และมุมเบี่ยงเบนของลำแสงในสนามไกล θ₀

K_NS=d₀θ₀/4 (2.7)

สมการ (2.7) อธิบายหลักการที่ว่าผลคูณของเส้นผ่านศูนย์กลางเอวคานและมุมไดเวอร์เจนซ์ทางไกลเป็นค่าคงที่ และ K_NS เป็นค่าคงที่ในระบบแปลงลำแสงทั้งระบบซึ่งเหมาะสำหรับการประเมินคุณภาพลำแสงเลเซอร์ในภาคอุตสาหกรรม

การเลี้ยวเบนจำกัดหลาย M² ปัจจัย

ในปี 1988 AE Siegman กำหนดผลิตภัณฑ์ความกว้างของลำแสงที่แสดงโดยช่วงเวลาที่สองโดยพิจารณาจากเกณฑ์เชิงพื้นที่ของลำแสงจริงและเกณฑ์ความถี่เชิงพื้นที่เป็นคุณภาพของลำแสง M² ซึ่งเทียบเท่ากับข้อมูลจำนวนอนันต์ที่อธิบายแอมพลิจูดเชิงซ้อนของคลื่นแสงผ่านรูปแบบสี่เหลี่ยมผืนผ้าอันดับสองเพื่อแยกปัจจัยการรวมกันซึ่งเป็นคำอธิบายที่สมเหตุสมผลมากขึ้นของคุณภาพลำแสงเลเซอร์ได้รับการรับรองโดยองค์การระหว่างประเทศสำหรับ ร่างมาตรฐาน 1SO/TC172/SC9/WG1 ร่างมาตรฐาน พ.ศ. 2534 The M² ปัจจัยถูกกำหนดเป็น

M2 =(เส้นผ่านศูนย์กลางรอบเอวของลำแสงจริง x มุมการปล่อยของสนามลำแสงจริง )/(เส้นผ่าศูนย์กลางรอบเอวของลำแสงในอุดมคติ x มุมการปล่อยของสนามลำแสงในอุดมคติ)= (πd0θ0 )/(4λ ) (2.8)

ในสูตร d₀ คือเส้นผ่านศูนย์กลางของลำแสงเลเซอร์เอว: θ₀ คือมุมแตกต่างของสนามไกล λ คือความยาวคลื่น

พวกเขา² ปัจจัยคือพารามิเตอร์ที่ใช้กันทั่วไปในการประเมินคุณภาพของลำแสงเลเซอร์และเรียกอีกอย่างว่าปัจจัยคุณภาพลำแสง อย่างไรก็ตาม ควรชี้ให้เห็นว่าคำจำกัดความของ M² ปัจจัยจะขึ้นอยู่กับคำจำกัดความของเมทริกซ์อันดับสองของความกว้างของลำแสงในเกณฑ์เชิงพื้นที่และเกณฑ์ความถี่เชิงพื้นที่ ความกว้างของเอวลำแสงของลำแสงเลเซอร์กำหนดโดยการกระจายความเข้มของแสงที่ส่วนตัดขวางของเอวลำแสง และมุมไดเวอร์เจนซ์ระยะไกลจะพิจารณาจากการกระจายเฟส ดังนั้น M² ปัจจัยสามารถสะท้อนถึงลักษณะการกระจายความเข้มและการกระจายเฟสของสนามแสง และมันแสดงลักษณะขอบเขตที่ลำแสงจริงเบี่ยงเบนไปจากความเร็วของการเลี้ยวเบนที่จำกัด ยิ่งM² ปัจจัยยิ่งทำให้ลำแสงเกิดความแตกต่างเร็วขึ้น

มุมไดเวอร์เจนซ์ระยะไกล θ

สมมติว่าลำแสงเลเซอร์ถูกส่งไปตามแกน z มุมไดเวอร์เจนซ์ของสนามไกลจะเท่ากับ θ0 ซึ่งแสดงโดยสูตรเส้นกำกับเป็น

θ₀=lim=(w(z))/z (2.9)

ในสูตรนี้ w(z) คือรัศมีเอวของลำแสงเมื่อเลเซอร์แพร่กระจายไปยังแกน z มุมไดเวอร์เจนซ์ระยะไกลแสดงลักษณะลักษณะไดเวอร์เจนซ์ของกระบวนการขยายพันธุ์ของลำแสง อย่างเห็นได้ชัด θ₀ ยิ่งบีมไดเวอร์เจนซ์มากเท่าไหร่ก็ยิ่งเร็วเท่านั้น ในการวัดจริง หลังจากการโฟกัสหรือขยายลำแสงเลเซอร์ที่วัดได้โดยใช้ระบบออปติคัลโฟกัสหรือระบบโฟกัสแบบขยายลำแสง อัตราส่วนของบีมไวด์ที่วัดบนระนาบโฟกัสกับความยาวโฟกัสของระบบออปติคัลโฟกัสจะใช้เพื่อให้ได้ระยะที่ไกล - มุมไดเวอร์เจนซ์ของสนาม เพราะเ₀, ขนาดสามารถเปลี่ยนแปลงได้โดยการขยายหรือการโฟกัสของลำแสง (เช่น การใช้กล้องโทรทรรศน์เพื่อขยายลำแสง) ดังนั้นจึงไม่ถูกต้องที่จะใช้มุมแตกต่างของระยะสนามไกลเป็นเกณฑ์คุณภาพของลำแสง

ความสว่างของลำแสงเลเซอร์ B

ความสว่างเป็นพารามิเตอร์สำคัญที่อธิบายลักษณะของเลเซอร์ ตามแนวคิดทางแสงแบบดั้งเดิม ความสว่างของลำแสงเลเซอร์หมายถึงพลังงานที่ปล่อยออกมาจากพื้นที่หนึ่งหน่วยของพื้นผิวแหล่งกำเนิดแสงในแนวตั้งฉากกับมุมทึบของหน่วยหนึ่ง ซึ่งแสดงเป็น

B =P/ΔSΔΩ (2.10)

ในสูตร P คือพลังงานทั้งหมด (หรือพลังงาน) ที่ปล่อยออกมาจากแหล่งกำเนิดแสง ΔS คือพื้นที่เปล่งแสงของแหล่งกำเนิดแสงยูนิต ΔΩคือมุมของแข็งที่ปล่อยออกมา ลำแสงเลเซอร์จะถูกส่งผ่านในตัวกลางที่ไม่มีการสูญเสียหรือในระบบออปติคัลแบบไม่สูญเสีย และความสว่างของแหล่งกำเนิดแสงยังคงไม่เปลี่ยนแปลง

ปัจจัยคุณภาพลำแสงเทียบเท่า M²_อี

เนื่องจากภายในขนาดจุดที่เท่ากันซึ่งกำหนดโดยโมเมนต์ลำดับที่สอง เปอร์เซ็นต์ของกำลังของลำแสงต่อกำลังทั้งหมดขึ้นอยู่กับการกระจายของสนามแสง วิธีการอธิบายคุณภาพของลำแสงจึงกำหนด: ขนาดจุดเอวของลำแสงและระยะที่ไกล - มุมไดเวอร์เจนซ์ฟิลด์ที่กำหนดไว้ในพื้นที่ อัตราส่วนของกำลังเลเซอร์ต่อกำลังทั้งหมดคือ 86.5% และปัจจัยด้านคุณภาพของลำแสงที่เท่ากันคือ

NS²_อี =πω86.5θ86.5/λ (2.11)

ในสูตร ω คือรัศมีเอวคาน θ คือมุมไดเวอร์เจนซ์ทางไกล

การเลี้ยวเบนของลำแสงจำกัดหลายปัจจัย β

จากมุมไดเวอร์เจนซ์ระยะไกล θ ค่า β สามารถกำหนดได้เป็น

β=(มุมไดเวอร์เจนซ์ระยะไกลของลำแสงจริง)/(มุมไดเวอร์เจนซ์ระยะไกลของลำแสงในอุดมคติ)=θ₀/θ_NS (2.12)

ค่า β กำหนดลักษณะระดับที่คุณภาพลำแสงของลำแสงเลเซอร์ที่วัดได้เบี่ยงเบนไปจากคุณภาพลำแสงในอุดมคติภายใต้สภาวะเดียวกัน ค่า β ของเลเซอร์ที่วัดได้โดยทั่วไปจะมากกว่า 1 ยิ่งค่า β เข้าใกล้ 1 มากเท่าใด คุณภาพของลำแสงก็จะยิ่งดีขึ้นเท่านั้น β=1 คือขีดจำกัดการเลี้ยวเบน ค่า β ส่วนใหญ่จะใช้ในการประเมินลำแสงเลเซอร์ที่ปล่อยออกมาจากเรโซเนเตอร์เลเซอร์ สามารถประเมินคุณภาพของลำแสงระยะใกล้ได้อย่างสมเหตุสมผล เป็นดัชนีประสิทธิภาพคงที่และไม่พิจารณาผลกระทบของบรรยากาศต่อความปั่นป่วนของการกระเจิงของแสงเลเซอร์ การวัดค่า β ขึ้นอยู่กับ สำหรับการวัดที่แม่นยำของมุมไดเวอร์เจนซ์ระยะไกลของลำแสง มันไม่เหมาะสำหรับการประเมินคานทางไกล

อัตราส่วนสเตรห์ล S_NS

อัตราส่วนสเตรห์ล S_NS ถูกกำหนดเป็น

NS_NS=(ความเข้มแสงสูงสุดบนแกนแสงจริง)/(ความเข้มแสงสูงสุดบนแกนแสง) / =exp-(2π/λ)2(ΔΦ)2 (2.13)

ในสูตรนี้ ΔΦ หมายถึงการบิดเบือนของคลื่นซึ่งทำให้คุณภาพของลำแสงลดลง NS_NS สะท้อนความเข้มแสงสูงสุดบนแกนสนามไกล ขึ้นอยู่กับความผิดเพี้ยนของ wavefront และสามารถสะท้อนอิทธิพลของการบิดเบือนของ wavefront ของลำแสงที่มีต่อคุณภาพของลำแสงได้ดีขึ้น อัตราส่วน Strehl มักใช้ในเลนส์เกี่ยวกับบรรยากาศ ซึ่งส่วนใหญ่ใช้ในการประเมินประสิทธิภาพของระบบเลนส์แบบปรับได้เพื่อปรับปรุงคุณภาพของลำแสง แต่ส_NS สะท้อนเฉพาะความเข้มของแสงสูงสุดบนแกนออปติคัลระยะไกล และไม่สามารถให้การกระจายความเข้มของแสงที่การใช้พลังงานเป็นกังวล นอกจากนี้ยังสามารถสะท้อนถึงคุณภาพของลำแสงได้คร่าวๆ เท่านั้น และไม่สามารถให้คำแนะนำที่เป็นประโยชน์อย่างมากในการออกแบบระบบออปติคัล

อัตราส่วนพลังงานโดยรอบ ค่า BQ

อัตราส่วนพลังงานโดยรอบ หรือที่เรียกว่าอัตราส่วนกำลังบนพื้นผิวเป้าหมาย (หรือในถัง) ถูกกำหนดให้เป็นพลังงานโดยรอบ (หรือกำลัง) ของจุดจริงภายในขนาดที่กำหนดและพลังงานโดยรอบ (หรือกำลัง) ของ จุดในอุดมคติที่มีขนาดเท่ากันและในอุดมคติที่มีขนาดเท่ากัน รากที่สองของอัตราส่วนพลังงาน (หรือกำลัง) รอบจุดนั้น การแสดงออกของมันคือ

BQ=√(E/E₀) หรือ BQ=√(P/P₀) (2.14)

ในสูตร E₀ (หรือป₀) และ E (หรือ P) เป็นจุดลำแสงในอุดมคติโดยรอบพลังงาน (หรือกำลัง) และจุดลำแสงจริงที่วัดได้โดยรอบพลังงาน (หรือกำลัง) ภายในขนาดที่ระบุบนเป้าหมาย ค่า BQ ใช้สำหรับการส่งพลังงานและการเชื่อมต่อ แอปพลิเคชันประเภทนี้รวมความเข้มข้นของพลังงานของลำแสงบนเป้าหมายเพื่อประเมินคุณภาพของลำแสงในสนามไกล ค่า BQ ประกอบด้วยปัจจัยด้านบรรยากาศ เป็นดัชนีที่ครอบคลุมซึ่งอธิบายคุณภาพของลำแสงจากมุมมองของการใช้งานทางวิศวกรรมและผลกระทบจากความเสียหาย และเป็นดัชนีไดนามิกของระบบเลเซอร์ที่ได้รับผลกระทบจากบรรยากาศ ค่า BQ เชื่อมโยงโดยตรงกับคุณภาพของลำแสงและความหนาแน่นของพลังงาน และเป็นภาพสะท้อนของความเข้มข้นของพลังงาน มีความสำคัญในทางปฏิบัติสำหรับการศึกษาการเชื่อมต่อพลังงานและผลการทำลายล้างของเลเซอร์ที่แรงและเป้าหมาย

นอกเหนือจากพารามิเตอร์ข้างต้นแล้ว มักใช้ความบริสุทธิ์ของโหมด การเชื่อมโยงกันเชิงพื้นที่ และการเชื่อมโยงกันทั่วโลกเพื่ออธิบายคุณภาพลำแสงของเลเซอร์ พารามิเตอร์ต่างๆ สำหรับการประเมินคุณภาพของลำแสงมีข้อดีและข้อจำกัดต่างกันไป ตารางที่ 2.1 สรุปข้อดีและข้อเสียของพารามิเตอร์ต่างๆ และฟิลด์ที่เกี่ยวข้อง

พารามิเตอร์	ข้อดี	ข้อจำกัด	แอปพลิเคชั่น
KNS	รวมเฉพาะปัจจัยสองประการของเส้นผ่านศูนย์กลางลำแสงและมุมไดเวอร์เจนซ์ระยะไกลของลำแสง	ไม่สามารถสะท้อนการกระจายแสงเชิงพื้นที่ของความเข้มแสง	เหมาะสำหรับเขตอุตสาหกรรม
NS2 ปัจจัย	พวกเขาสามารถสะท้อนมุมความแตกต่างของสนามไกลและเนื้อหาโหมดลำดับสูงของลำแสงได้อย่างเป็นกลางและสามารถวิเคราะห์และกำหนดลักษณะความสัมพันธ์ของการแปลงการส่งผ่านลำแสง	การแนะนำพารามิเตอร์ความยาวคลื่นไม่เหมาะสำหรับการเปรียบเทียบระหว่างคุณภาพของลำแสงเลเซอร์ที่มีความยาวคลื่นต่างกัน	ความกว้างของลำแสงและความแตกต่างที่กำหนดตามมุมของโมเมนต์ลำดับที่สอง เหมาะสำหรับสนามของการส่งผ่านลำแสงเชิงเส้น
θ0	มันบ่งบอกถึงระดับของความแตกต่างของลำแสง	ไม่สามารถสะท้อนการกระจายเชิงพื้นที่ของความเข้มแสง	ความเข้าใจอย่างง่ายของลักษณะลำแสง
NS	แสดงถึงความสอดคล้องกันของลำแสง	ไม่สามารถสะท้อนการกระจายเชิงพื้นที่ของความเข้มแสง	จอแสดงผลและไฟส่องสว่าง
NS2อี	กำหนดความกว้างของลำแสงตาม 86.5% ของความเข้มแสง	การแนะนำพารามิเตอร์ความยาวคลื่นไม่เหมาะสำหรับการเปรียบเทียบระหว่างคุณภาพของลำแสงเลเซอร์ที่มีความยาวคลื่นต่างกัน
β	ต้องวัดค่าพารามิเตอร์ของ θ เพียงตัวเดียว	θ สามารถเปลี่ยนได้ การเลือกลำแสงมาตรฐานไม่เหมือนกัน	การประเมินคุณภาพของลำแสงเลเซอร์โพรงที่ไม่เสถียร
NSNS	สามารถสะท้อนความเข้มแสงสูงสุดบนแกนได้อย่างเป็นกลาง	ไม่สามารถสะท้อนการกระจายเชิงพื้นที่ของความเข้มแสง	เลนส์บรรยากาศและเรดาร์ออปติคอล
วาล์ว BQ	สะท้อนความเข้มข้นของพลังงานบนจุดโฟกัสในระยะไกลของลำแสง	สามารถรับกำลังในกระบอกสูบได้จากการกระจายพลังงานลำแสงที่แตกต่างกัน	ประเมินคุณภาพของลำแสงเลเซอร์โพรงที่ไม่เสถียร
โหมดความบริสุทธิ์	การวัดความเบี่ยงเบนของการกระจายความเข้มของลำแสงจริงจากการกระจายความเข้มของลำแสงในอุดมคติ	ไม่เป็นสากล
การเชื่อมโยงกันเชิงพื้นที่	สะท้อนความเชื่อมโยงเชิงพื้นที่ของลำแสง	ไม่เป็นสากล
ระดับของการเชื่อมโยงกันทั่วโลก	สะท้อนความเชื่อมโยงเชิงพื้นที่ของลำแสง	ไม่เป็นสากล

รูปร่างผลลัพธ์ของลำแสงเลเซอร์

รูปร่างเชิงพื้นที่ของลำแสงเลเซอร์ถูกกำหนดโดยโพรงเรโซแนนซ์ของเลเซอร์ ภายใต้เงื่อนไขขอบเขตที่กำหนด การกระจายสนามแม่เหล็กไฟฟ้าในช่องเรโซแนนซ์ถูกกำหนดโดยการแก้สมการคลื่น ในช่องสมมาตรแบบวงกลม จะมีรูปทรงเชิงพื้นที่ที่เรียบง่ายของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าตามขวาง

การกระจายสนามแม่เหล็กไฟฟ้าตามขวางในโพรงเรียกว่าโหมดขวางในช่องซึ่งแสดงโดยTEM_m. TEM₀₀ แสดงถึงโหมดพื้นฐาน TEM₀₁, TEM₀₂ และ TEM₁₀, TEM₁₁, TEM₂₀ แสดงถึงโหมดลำดับต่ำและ TEM₀₃, TEM_04, และ TEM₃₀, TEM₃₃, TEM₂₁ฯลฯ แสดงถึงโหมดที่มีลำดับสูง เอาต์พุตของเลเซอร์ส่วนใหญ่เป็นโหมดลำดับสูง เพื่อให้ได้ผลลัพธ์ของโหมดพื้นฐานหรือโหมดสั่งต่ำ จำเป็นต้องใช้เทคโนโลยีการเลือกโหมด

ปัจจุบัน เทคนิคการเลือกแบบจำลองที่ใช้กันทั่วไปขึ้นอยู่กับการสูญเสียการเลี้ยวเบนในโพรงที่เพิ่มขึ้น วิธีหนึ่งคือการเพิ่มความยาวของช่องโดยใช้ช่องการหักเหของแสงหลายช่องเพื่อเพิ่มการสูญเสียการเลี้ยวเบนในช่อง อีกวิธีหนึ่งคือการลดขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อระบายเลเซอร์หรือเพิ่มความยาวของโพรง เพิ่มไดอะแฟรมรูรับแสงขนาดเล็กลงในช่อง การสูญเสียการเลี้ยวเบนของลำแสงโหมดพื้นฐานมีขนาดใหญ่มาก และสามารถไปถึงขีดจำกัดการเลี้ยวเบน ดังนั้นมุมไดเวอร์เจนซ์ของลำแสงโหมดพื้นฐานจึงมีขนาดเล็ก จากมุมมองของการเพิ่มประสิทธิภาพการปั๊มด้วยเลเซอร์ ปริมาตรของโหมดโพรงควรเติมสารออกฤทธิ์ทั้งหมดให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ นั่นคือ TEM ในเลเซอร์หลอดยาว₀₀ เอาต์พุตของโหมดมีผลเหนือกว่า ในขณะที่การสั่นของเลเซอร์ในโหมดลำดับสูง โหมดพื้นฐานจะใช้พลังงานเลเซอร์เพียงเล็กน้อยเท่านั้น ส่วนหนึ่งดังนั้นกำลังขับของโหมดสั่งสูงมีขนาดใหญ่