Enciclopedia della Fisica Laser … 2

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Definizione. fasci di luce si propagano prevalentemente in una direzione

Nella maggior parte dei casi, un laser emette luce nella forma di un fascio laser. Ciò significa che la luce si propaga dominante in una certa direzione, tipicamente con la maggior parte della potenza ottica concentrato ad una piccola area dell’ordine di un millimetro quadrato.

I raggi laser sono spesso vicino alle travi gaussiana. dove il profilo trasversale della intensità ottica del fascio può essere descritta con una funzione gaussiana, la cui larghezza varia lungo la direzione di propagazione. Questa variazione di dimensioni fascio può essere molto piccolo per travi con grande larghezza o molto veloce per travi ben focalizzato.

Figura 1: Istantanea della distribuzione di campo elettrico intorno al centro di un fascio gaussiano. In questo esempio, il raggio del fascio è solo leggermente più grande della lunghezza d’onda, e la divergenza del fascio è forte.

Generalmente, raggi laser mostrano un alto grado di coerenza spaziale. che è legato ad una qualità elevata del fascio. Come risultato, tali travi presentano buona focusability e il potenziale di formare fasci collimati con divergenza molto anabbaglianti.

La propagazione di fasci gaussiani può essere calcolato con un insieme di equazioni relativamente semplici. Per travi con qualità del fascio non ideale. si può usare un insieme generalizzato di equazioni che coinvolge anche il cosiddetto fattore di qualità del fascio M 2 fattore: un parametro per quantificare la qualità del fascio di raggi laser"gt;M 2. In questo caso, le domande non possono prevedere l’evoluzione dettagliata di profilo del fascio, ma solo del raggio del fascio basato sul secondo momento della profilo di intensità (D4σ metodo).

I raggi laser hanno spesso una piccola larghezza di banda ottica. in modo che la coerenza temporale è elevato. Una conseguenza spesso indesiderata dell’elevato livello di coerenza è la tendenza a formare disegni speckle.

La potenza ottica di un raggio laser può difficilmente cambiare durante la propagazione in un mezzo trasparente, o decadere rapidamente in un mezzo assorbente o dispersione. mezzi disomogeneo (cioè media con un indice di rifrazione localmente variabile) può anche distorcere le forme dei raggi laser. Ciò può accadere a causa di esempio effetti termici quali lensing termico in un mezzo di guadagno.

Alcuni laser emettono continuamente. ma un fascio laser può anche consistere in una rapida sequenza di impulsi. con molti milioni o addirittura miliardi di impulsi al secondo (→ frequenza di ripetizione degli impulsi ).

La maggior parte dei fasci laser sono polarizzata linearmente. cioè il campo elettrico oscilla in una certa direzione perpendicolare alla direzione di propagazione. Alcuni laser, invece, emettono luce con una, stato di polarizzazione fluttuante indefinito.

Near Field e Campo Lontano di raggi laser

Il campo vicino di un fascio laser è inteso come la regione intorno alla vita di fascio (fuoco). Il campo lontano riguarda il profilo del fascio lontano dalla vita di fascio, cioè in una distanza dal fuoco che è grande rispetto alla lunghezza effettiva Rayleigh. Il campo profilo di intensità di gran lunga rivela i dettagli della divergenza del raggio. che nel campo vicino può essere ottenuto soltanto con le misurazioni del fronte d’onda. Poiché spesso non è pratico per accedere direttamente al campo lontano, si può utilizzare una lente di focalizzazione (o specchio) per ottenere un profilo di intensità nel suo piano focale che rivela una versione ridotta del modello di campo lontano.

Limitazioni per la messa a fuoco di raggi laser

I raggi laser possono essere utilizzati per la trasmissione di energia ottica a piuttosto piccole macchie o con divergenza anabbaglianti su grandi distanze. Tuttavia, vi sono limitazioni a questo, che comportano la lunghezza d’onda ottica, la qualità del fascio e la dimensione trasversale delle ottiche di focalizzazione o collimazione utilizzati. Alcune di queste limitazioni sono discussi di seguito, assumendo sempre propagazione del fascio attraverso un mezzo omogeneo (cioè senza alcuna distorsione di fascio aggiunti sul senso).

Se un raggio laser viene focalizzato in un punto (vita di fascio) con raggio fascio w0. essa presenta un certo angolo a fascio divergenza che è inversamente proporzionale al raggio del fascio vita e proporzionale alla lunghezza d’onda ottica nel fattore M 2: un parametro per quantificare la qualità del fascio di raggi laser"gt;M 2 Fattore:

L’ottica di focalizzazione utilizzati devono essere in grado di gestire tale quantità di divergenza del fascio; una limitazione per risultante dalla limitata apertura numerica delle ottiche. Inoltre, se il focus deve avere una grande distanza dalle ottiche di focalizzazione e / o del raggio del fascio vita è piccolo o la qualità del fascio è bassa, il raggio del fascio nelle ottiche di focalizzazione sarà necessariamente piuttosto grande. è necessaria una altrettanto grande diaframma aperto delle ottiche. Tali fattori possono in pratica impostare un limite inferiore al raggio del fascio ottenibile nel fuoco, o un limite superiore al tollerabile fattore M 2: un parametro per quantificare la qualità del fascio di raggi laser"gt;M 2 fattore della trave.

In alcuni casi, uno ottimizza il raggio del fascio nel fascio concentrato tale che il raggio del fascio ad una certa distanza dal fuoco è il più piccolo possibile. A tal fine, si deve scegliere il raggio del fascio vita tale che la lunghezza efficace Rayleigh del raggio uguale alla distanza di trasmissione menzionato. Il raggio del fascio risultante nella posizione lontana sarà quindi ≈1,41 volte il raggio del fascio vita.

Se il fascio inviato-out non deve avere la sua attenzione alle ottiche di focalizzazione, si dovrebbe porre l’attenzione in mezzo tra l’ottica e il punto distante. Idealmente, la lunghezza efficace Rayleigh sarà quindi metà della distanza di trasmissione. Il raggio del fascio nel punto distanza sarà identica a quella delle ottiche di focalizzazione, e ≈1,41 volte più grande rispetto al fuoco del fascio.

Ad esempio, se un raggio laser gaussiano a 1064 nm deve essere inviato alla luna (distanza 380 000 km) che per illuminare un piccolo punto lì, il raggio del fascio ideale nel fuoco sarà 8 m, tale che la lunghezza Rayleigh è 190 000 km. Il raggio del fascio nelle ottiche di focalizzazione e sulla luna sarà quindi 11,3 m. Se il telescopio di invio utilizzato non può essere così grande, il punto illuminato sulla luna sarà più grande.

Caratterizzazione sperimentale di raggi laser

Ci sono vari dispositivi e tecniche per la caratterizzazione di un fascio laser in vari aspetti:

  • La potenza ottica totale trasportato da un raggio laser può essere misurata con un PowerMeter. Ci sono anche contatori di energia per misurare energie di impulso di laser ad impulsi.
  • Il profilo di intensità (profilo irraggiamento) può essere misurata con un qualche tipo di profiler fascio. che può essere basata su una macchina fotografica. Alcuni raggi laser mostra “hotspot”, vale a dire le regioni con maggiore intensità, che può svolgere il ruolo di fenomeni di danneggiamento. Ci possono anche essere strutture satelliti, aloni e altre deviazioni dalla omogeneità del fascio. Notare che la forma del profilo di intensità del fascio può cambiare durante la propagazione, e non è sempre stabile nel tempo.
  • Alcuni dispositivi non misurano il profilo della trave intera, ma solo un raggio trave o diametro. Si noti che il raggio del fascio di solito non è definito come un mezzo ampiezza a metà valore massimo (HWHM), ma la posizione radiale in cui l’intensità scende a 1 / e 2 volte la massima intensità. Questo deriva dal contesto di fasci gaussiani.
  • sensori di fronte d’onda, per esempio del Shack–Tipo Hartmann, può essere utilizzato per misurare la forma delle superfici d’onda ottiche.
  • La qualità del fascio (M 2 fattore: un parametro per quantificare la qualità del fascio di raggi laser"gt;M 2 factor) può essere calcolato da più profili di intensità o da misure di intensità e fronte d’onda in una sola posizione.
  • Un raggio laser può presentare fluttuazioni fascio di puntamento. che può essere misurato per il controllo della posizione (baricentro della distribuzione di intensità) ad una posizione adatta.
  • Lo stato di polarizzazione forse approssimativamente caratterizzato per basa sulla trasmissione di un polarizzatore per diversi orientamenti, o più completamente con varie tecniche per polarimetria.

Per molte applicazioni laser. è indispensabile disporre di mezzi adeguata per la diagnostica del fascio, come molti possibili problemi possono essere identificati con tali strumenti.

Bibliografia

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