M2-фактор

M²-фактор — параметр, который используется для характеристики качества лазерного пучка.

Согласно ISO Standard 11146, он определяется как произведение радиуса пучка (в перетяжке) на половину угла расходимости (это произведение называется beam parameter product(BPP)), разделенное на .

- BPP для дифракционно ограниченного гауссового пучка с той же длинной волны.

Другими словами, половина угла, определяющего расходимость лазерного излучения это:

Дифракционно отграниченный пучок имеет M² = 1, и является гауссовым. Значение M² < 1физически невозможно.

M²-фактор ограничивает величину, в которую лазерный пучок может быть сфокусирован при данном угле расходимости.

Для пучков, которые не имеют круговой симметрии, M²-фактор может быть различным для двух взаимно ортогональных направлений. Это напрямую относится к выходному излучению диодных лазеров, где M²-фактор достаточно небольшой для одной оси, и имеет намного большую величину для второй оси.

Стоит отметить, что M²-фактор, будучи просто числом, не может в полной мере охарактеризовать качество пучка. Например, пучок может иметь относительно небольшое значение M², но при этом профиль пучка будет иметь много вершин.

Значение M² = 1 достижимо для некоторых твердотельных лазеров, работающих в одномодовом режиме, волоконных лазеров, основанных на одномодовом волокне, а также для некоторых маломощных лазерных диодов (VCSEL).

Некоторые диодные и твердотельные лазеры имеют очень большое значение M²: более 100 или даже около 1000. В твердотельных лазерах это обычно результат термальных искажений. А также плохое качество лазерного пучка связано с модами высоких порядков.

На качество пучка еще влияет:

• наличие некачественных оптических компонентов;

• сферические аберрации в линзах;

• термальные эффекты в активной среде;

• дифракция на апертурах;

• паразитное отражение.

Измерение качества пучка:

1. Согласно ISO Standard 11146, M²-фактор может быть вычислен путем измерения изменения радиуса пучка вдоль каустики.

2. Существуют анализаторы профиля пучка (beam profiles), которые автоматически в течение нескольких секунд могут измерить M²-фактор. Принцип их действия основан на измерении профиля пучка в различных позициях. Это может быть осуществлено с помощью CCD- и CMOS-камер, перемещающегося ножа или щели. Выбор принципа работы прибора зависит от характеристик лазерного излучения. Например, нож или щель может использоваться, в отличие от камеры, в случае высокомощного лазерного излучения.

3. С помощью сенсоров волнового фронта, которые обычно предназначены для измерения аберраций волнового фронта.

Качество пучка имеет большое значение в системах, где необходима точная фокусировка лазерного излучения. А это важно при обработке материалов лазером, лазерной печати, маркировке, резки, пробивки отверстий, сварке. Например, для резки и сварки относительно высокое качество пучка (с M²-фактором около 10) позволяет производить эти операции на больших рабочих расстояниях (имеется ввиду большее расстояние между рабочей плоскостью и фокусирующим объективом), что позволяет защитить оптику объектива от испарений и брызг. Также, высокое качество пучка уменьшает диаметр пучка в системе доставки лазерного излучения, что позволяет использовать оптические элементы меньших размеров, а следовательно более дешевых.

Высокое качество пучка также необходимо для интерферометров, записи данных на оптический носитель, лазерной микроскопии и т.д.