光束质量的评价方法

注意：若要更改此幻灯片上的图像，请选择该图片，并将其删除。然后单击占位符中的图片图标以插入自己的图像。光束质量评价方法------四种评价标准及其适用激光范围参考文献：1-10《激光光束质量的评价方法》激光光束质量是一个很有现实意义的论题,对不同应用的激光光束其质量的评价标准一般不同。本文给出了几种有代表性的激光光束质量的评价方法,并分别对各种评价标准的合理性与适用性进行了分析;研究了实际应用中对激光光束质量的一些要求和相关的评价参数。文章简介评价标准1、M2因子或其倒数K因子(光束传输因子)2、衍射极限倍数因子(β)3、桶中功率比(BQ)4、斯特列尔比(SR)空间束宽积光束在空间域的宽度（束腰宽度）和光束在频域的宽度（远场发散角）的乘积光束半径随传输距离变化的双曲线，在z=0时有最小值这个位置被称为高斯光束的束腰位置M²因子M²=实际（光束的空间束宽积）理想（光束的空间束宽积）=π𝑤0θ4λ式中,w0—为光束的束腰直径即其光斑宽度w(z)的极小值;θ—为远场发散角,定义为θ=lim𝑛→∞𝑤(𝑧)𝑧；λ—为波长。K=1𝑀²=4λπ𝑤0θ从对M²因子和相关概念的分析可知:与远场发散角、聚焦光斑尺寸等[4]相比较,M²因子更为严格和全面地表征了激光光束质量。可以证明激光通过理想无像差和无穷大孔径光学系统时,虽然束腰直径或远场发散角要变化,但作为比较的物理量即束腰直径与远场发散角的乘积,M²因子是一个不变量。因此,使用M²因子比之仅用聚焦光斑尺寸或发散角衡量光束质量更为全面一些。应用类型对于低功率高斯型激光光束,用M²因子]定义光束能量,即光束光腰处光斑半径与远场发散角的乘积为一常数,避免了只用光斑半径或远场发散角作为光束质量的判据带来的不确定性。局限M²因子不适合于评价高能激光的光束质量,高能激光的谐振腔一般是非稳腔,输出的激光光束不规则,将不存在光腰,而且,对于能量分布离散型的高能激光光束,由二阶矩定义计算得到的光斑半径与实际相差很远。得到的M²因子误差很大。M²因子要求光束截面的光强分布不能有陡直边缘,比如对于超高斯光束M²因子就不适用.衍射极限倍数因子(β)的定义及确定1、定义式衍射极限倍数因子定义为β=θ/θ0。式中,θ为被测实际光束的远场发散角,θ0为理想光束(也称参考光束)的远场发散角。2、（如何确定）参考光束的选择对于同一实际光束,选取不同的参考光束会得到不同的β值,这样就给β因子的测定带来了不确定性和混乱,因此必须统一和规范参考光束的选择。有研究表明,选取与被测光束发射孔径或面积相同的圆形实心均匀光束为参考光束,得到的远场发散角是所有相同孔径光束中衍射角最小的,适用于以β因子来评价激光武器系统的光束质量。远场发射角（角谱宽度）定义远场发射角θ用渐近线公式θ=lim𝑧→∞𝑤𝑧𝑧确定，w(z)为光斑宽度,z为光斑所对应的位置。在傍轴近似和光阑孔径衍射可忽略的情况下,自由空间中光束宽度w(z)满足方程W2(z)=w02(z)+(M2)2[λ(πw0)]2(z-z0)2,式中的z0为束腰w0所在位置。对理想高斯光束,光斑宽度w(z)用光强最大值1/e2处的宽度来定义,在所定义的光斑尺寸内含有高斯光束总功率的86.5%。图示远场/近场光学远场远场是指距发射机5个波长或更远处的电磁场，该处的径向电场可忽略。由天线发生的功率通量密度近似的随距离的平方呈反比的关系的场域。传统的光学理论，如几何光学、物理光学等，通常只研究远离光源或者远离物体的光场分布，一般统称为远场光学。远场光学在原理上存在着一个远场衍射极限，限制了利用远场光学原理进行显微和其它光学应用时的最小分辨尺寸和最小标记尺寸。近场近场存在于距电磁辐射源(例如发射天线)一个波长范围内的电磁场。近场光学则研究距离光源或物体一个波长范围内的光场分布。在近场光学研究领域，远场衍射极限被打破，分辨率极限在原理上不再受到任何限制，可以无限地小，从而基于近场光学原理可以提高显微成像与其它光学应用时的光学分辨率。适用激光范围（近场光束）总述：β因子能较合理地评价近场光束质量,它是描述激光系统光束质量的静态性能指标,但并没有考虑大气对激光的散射、湍流和热晕等作用。β因子为高能激光武器系统的光束质量提供了评价依据。β值的测量依赖于光束远场发散角的准确测量。局限性：由于激光本身的因素和在激光束传输过程中众多因素的影响,使得远场光的强度分布中含有较多的高阶空间频率分量,强激光经衰减后用CCD接收测量光斑宽度的办法,很难探测到光斑的高阶分量,相对的空间强度分布很难反映出光斑的高阶分量,所得的β值不能真实反映由于高阶弥散引起的能量损失。它的准确测量对探测系统的要求较高,不适合于评价远距离传输的光束。桶中功率比(BQ)也称环围能量比/靶面上能量比1、定义式桶中功率比定义为规定尺寸内理想光斑靶面上功率P(或能量E)与相同尺寸内实际光斑靶面上功率P(或能量E)的比值的方根。其表达式为BQ=P理想/P实测或BQ=E理想/E实测。2、（如何确定）参考光束参数由于强度分布的横向尺度受到衍射极限的限制,桶的尺寸主要根据目标尺寸与衍射极限尺寸的相对大小以及具体的应用场合来选取,即用理想光束的“衍射极限桶”中的桶中能量与实际光束在同一桶中的桶中能量比值的开方作为这种应用目的下的光束质量的评价标准。当希望的光斑尺寸小于目标尺寸时,为了更充分地反映目标上的激光能量分布,作为对式(的补充,可用一个“桶系列”中的能量多少来衡量能量集中度。“桶系列”是具有规范尺寸的几个同心环围,“规范尺寸”可取为理想光束远场光斑上的几个特征尺寸(见下面的说明)。另一种等价的做法是,用几个规范的能量百分比所相应的光斑尺寸评价远场光束的质量。适用范围（远场光束）总述:BQ值把光束质量和功率密度直接联系在一起,反映了激光束在目标靶面上的能量集中度,适合于对远场光束质量的评价,对强激光与目标的能量耦合和破坏效应的研究有着非常实际的意义。1、对远距离能量输送、耦合型的应用(如激光空间供能),实际中关心的是焦斑上的激光能量分布能否使尽量多的能量集中在应用所需的桶中或“靶面上”尺度内。此时适用BQ值。2、BQ值常用不同限孔能量测量法以及能对空间绝对能量分布或光强分布测量的探测系统进行测量,要求具备可直接接收高能激光的强光阵列探测器或靶盘仪。与其他评价指标不同,BQ值是专门用于评价目标处强激光光束质量的指标,直观反映靶目标上强激光的能量集中度。因此在评价目标处的强激光光束质量和激光对靶目标的破坏效果时,最适合采用BQ值指标。局限性：由于高功率激光器,例如氟化氢(HF)、氟化氘(DF)和氧碘化学激光器(COIL),一般采用非稳腔结构,输出光束不是高斯光束,衡量非稳腔激光器产生激光束的质量,采用BQ值有一些不确定之处。关于“靶”靶，顾名思义是目标的打击点，其打击行为俗称打靶。靶主要分为平面靶和腔靶两类。平面靶的形态相对简单，一般是由某种材料制作成平面形态；腔靶即为激光注入打击到某种柱腔或者球形腔中，其材料和结构相对复杂。两类靶型的尺寸一般都是mm量级，激光束聚焦打靶的光斑尺寸一般是百微米量级。靶场是激光装置系统末端，服务于打靶的场地。激光聚焦打靶是国防军事实验以及远期民用聚变发电的重要驱动应用。实际工作中对激光光束质量的评价方法和参数1、远场功率(能量)的可聚焦度应用中大多将激光聚焦到工件上,或经长程传输后作用于靶目标上。在这些应用中,最有意义的指标是靶上激光功率(能量)的集中度。它用桶中功率(能量)或β参数来描述。2、瞄准稳定性瞄准稳定性反映时间平均意义上激光作用在目标上的偏移程度。发射激光的线偏移和角偏移都会影响瞄准稳定性,可用失调叠加积分ηm和瞄准稳定性参数Ps(在测量时间T内|ηm2|的平均值)来量度。ηm和Ps定义为ηm=1𝑝E(x)[E(x−δ)exp(−ikΩx)]dx+∞−∞,Ps=1𝑇|ηm(t)|2dt+∞−∞,式中,E(x)、E(x-δ)exp(-ikΩx)分别为未失调光束和实际测量光束的场分布;δ、Ω分别为实际光束的线偏移和角偏移,𝑃+∞=|E(𝑥)|2d𝑥+∞−∞。3、均匀性在对光强空间剖面分布均匀性有要求的应用中,应当提出描述光强分布均匀性的物理参数。例如:(1)不均匀度(或对比度)η，η越小,则光强剖面越均匀。（2填充因子F，F=I/Imax,I为平均光强。F越大,光强分布越均匀。斯特列尔比SR实际光束轴上的远场峰值I光强与具有同样功率、相位均匀的理想光束轴上的峰值光强之比I0。其表达式为SR=𝐼I0理想光束为与被测光束具有相同发射孔径的均匀光束,其发射光强等于实际光束平均强度。由于实际光束的焦斑总是大于衍射极限光斑,能量因此而发散,所以有SR≤1。SR越大,表明光束能量越集中,则光束质量越高。当实际光束波前相位误差为高斯分布,则有SR=exp[-(2πλΔΦ)²]≈1-（k.ΔΦ)²ΔΦ是造成激光光束质量下降的波像差,λ为激光波长。这时,SR仅取决于波前相位误差,可以反映波前相位误差的大小应用：由于SR可以从相位角度反映光束质量,能较好地反映自适应系统对波前畸变的修正性能，所以SR对高能激光武器系统自适应光学修正效果的评价有重要作用。局限性：在一定程度上，斯特列尔比只能测量被测光束焦斑在焦平面的聚集程度，不能提现实际应用中复杂的轴外光强分布，所以不全面。