Шум в лазерной технологии. Часть 3. Колебания, указывающие на луч

  1. Происхождение колебания, указывающего луч
  2. Расчет чувствительности выравнивания
  3. Пример дела
  4. Смещение луча, угол смещения и радиус луча
  5. Сложнее всего оптимизировать: мощные лазеры
  6. Выводы
  7. Список используемой литературы

Автор: Рюдигер Пасхотта , RP Photonics Consulting GmbH

(Эта статья появилась в аналогичной форме в Laser Technik Journal 7 (1), 48 (2010) , Смотрите также Часть 1 - Интенсивность и фазовый шум а также Часть 2 - Колебания импульсных лазеров .)

Аннотация: В этой части обсуждаются флуктуации направления наведения луча или, в более общем смысле, положения лазерных мод.

Во многих лазерные аппликации важно иметь устойчивую позицию фокусировка луча , Тем не менее, всегда есть некоторое количество колебаний направление луча , Такие эффекты особенно важны, когда лазерный луч должен распространяться на большое расстояние между источником и приложением. Интересно узнать, какие эффекты могут вызывать такие колебания, как их можно минимизировать и какие компромиссы обычно связаны с такой оптимизацией. Наши соображения применимы ко всем видам объемных лазеров, где лазерный резонатор сделан из дискретных оптических элементов, а не из волноводной структуры, такой как волокно.

Происхождение колебания, указывающего луч

Размышляя о причинах колебания луча о лазере, вероятно, первая мысль будет о механических вибрациях. Действительно, вибрации компонентов лазерного резонатора, в частности зеркал, могут напрямую влиять на положение и направление внутрирезонатора луч и, следовательно, также выходного луча.

Однако не следует упускать из виду еще один фактор, который может быть более важным, особенно в мощные лазеры : тепловые эффекты в лазерном кристалле могут привести к значительному отклонению внутрирезонаторного лазерного луча, как если бы лазерное зеркало был несколько смещен. Сила таких эффектов зависит не только от уровней мощности и конструкции резонатора , но и об уходе, с которым лазерный резонатор выровненный , Из-за несовершенного выравнивания лазерный луч может не проходить точно через центр тепловая линза в лазерном кристалле. Это приведет к некоторому отклонению, которое зависит от мощности накачки, поэтому любые колебания мощности накачки будут преобразованы в колебания положения луча. Кроме того, любые асимметричные изменения пространственного профиля луча накачки могут влиять на положение луча даже в случаях с идеальным выравниванием. Становится очевидным, что высокой стабильности положения пучка легче достичь, когда профиль пучка накачки стабилен и высокосимметричен. Следовательно, использование какого-либо эффективного гомогенизатора пучка для пучка накачки может быть полезным. Постоянно работающий источник насоса также вызовет меньшие проблемы, чем тот, который включается и выключается, как это иногда требуется.

Как вибрации, так и тепловые эффекты могут рассматриваться как динамически изменяющееся смещение. Обычно используемые частоты настолько низки, что можно предположить, что лазерный луч мгновенно находит положение, которое соответствует мгновенным положениям зеркала - точнее, оно будет иметь положение, такое, что в любой момент получается почти точно замкнутый путь луча. Этот аспект значительно облегчает любое теоретическое лечение.

Расчет чувствительности выравнивания

чувствительность резонатора к перекосам можно рассчитать - не с помощью простого программного обеспечения на основе известного Матрица ABCD алгоритм, который часто используется для проектирования резонатора, но с передовым программным обеспечением [2] с использованием расширенного матричного алгоритма ABCDEF [3]. По существу, этот алгоритм позволяет рассчитать влияние оптических элементов не только с точки зрения расширения пучка и фокусировки, но также и с точки зрения локального смещения от оси опорного пучка и соответствующего углового смещения. Условие самосогласованности для полного резонатор Затем в обоих направлениях определяется положение луча для любой комбинации зеркальных смещений.

Пример дела

В качестве примера рассмотрим простое лазерный резонатор с изогнутым зеркало М1, лазерный кристалл и плоскость выходной разъем зеркало М2. Выходной луч затем коллимируется с объектив L1, а затем сфокусировался на маленьком пятне со второй линзой L2. На рисунке 1 показано, как радиус луча развивается, и как ось луча смещается, когда первое зеркало наклонено на ± 0,5 мрад. Поскольку M2 является плоским, наклон M1 может вызвать только параллельное смещение оси луча. Коллимационная линза L1, однако, переводит это смещение в угловое изменение. Фокусирующая линза L2 снова меняет смещение луча и угол. В фокусе смещения луча составляют более половины радиуса луча, то есть происходит значительное смещение фокуса, вызванное наклоном зеркала.

В фокусе смещения луча составляют более половины радиуса луча, то есть происходит значительное смещение фокуса, вызванное наклоном зеркала

Рисунок 1: Эволюция размера луча и смещения луча для лазерного резонатора, где зеркало M1 наклонено. Симуляция была сделана с помощью программного обеспечения RP Резонатор [2].

На рисунке 2 показана ситуация для наклонов M2 вместо M1. Здесь выходной луч лазера получает такое же угловое смещение, что и M2. Однако после объектива L2 смещение положения фокусировки почти равно нулю. (Это смещение могло бы даже полностью исчезнуть, если бы расстояние между объективами было увеличено до ± 534 мм.) С другой стороны, угловые флуктуации в фокусе в этом случае будут больше, но это может быть несущественным для применения.

Рисунок 2: То же, что на рисунке 1, но с наклоном зеркала M2.

На рис. 3 показано влияние случайного наклона M1, M2 или обоих зеркал одновременно на положение луча и угловое смещение в фокусе (при z = 802 мм). Для наклона одного зеркала изменения положения и угла полностью коррелированы. Это больше не тот случай, когда оба зеркала независимо смещены. Мы снова видим, что наклоны M1 доминируют в результирующих колебаниях положения фокуса. Из примера мы узнаем, что эффекты наклона зеркал могут быть довольно разными для разных зеркал, и что оптика вне лазерного резонатора также имеет важные эффекты.

Рисунок 3: Влияние случайного наклона M1, M2 или обоих зеркал на смещение луча и угловое направление в фокусе.

Смещение луча, угол смещения и радиус луча

В некоторых случаях учитывается только угловое отклонение выходного луча лазера от оси отсчета. Например, это тот случай, когда коллимированный луч направляется непосредственно на какую-то отдаленную цель без дополнительной оптики или когда она сильно сфокусирована объективом. Однако в целом смещение луча (боковое перемещение) на выходе лазера также имеет значение. В примере, рассмотренном выше, мы могли видеть, что наклоны левого зеркала оказывают значительно большее влияние на внешнее фокусировка луча по сравнению с наклоном правого зеркала, даже если направление луча на выходе лазера не изменяется. Очевидно, что в этом случае смещение луча на выходе лазера важнее углового движения.

Следует также помнить, что на выходе радиус луча это важно. Любое смещение луча на выходе лазера следует сравнивать с радиусом луча. Аналогично, угловые отклонения следует сравнивать с естественными расходимость луча , что меньше для балок с большим радиусом. По этим причинам совершенно бессмысленно знать угловой диапазон колебаний направления луча, но не радиус выходного луча - как это часто бывает при чтении таблиц данных.

Просто телескоп может использоваться для увеличения радиуса луча на выходе лазера. Легко показать, что это также увеличит флуктуации положения луча, а также уменьшит угловой диапазон колебаний наведения луча. Это еще раз показывает, что чем больше радиус луча, тем серьезнее будет некоторая величина угловых колебаний, и тем менее критичным будет прямое смещение луча.

Для оптимизации следует учитывать не только лазер, но и весь путь луча к применению - например, к фокусу луча, где обрабатываются материалы. С помощью подходящего программного обеспечения можно определить вклады наклонов всех зеркал резонатора и тепловых отклонений в положение луча в этом фокусе. Также возможно рассчитать общую добротность стабильности для данной конструкции лазерного резонатора и внешней оптики и численно оптимизировать всю конструкцию для минимальных эффектов наведения луча. Конечно, это может включать компромиссы с другими желательными свойствами, такими как качество луча, как обсуждено в следующем параграфе.

Сложнее всего оптимизировать: мощные лазеры

За мощные лазеры , колебания луча Сложнее всего минимизировать. По сути, для этого есть две причины. Первый заключается в том, что тепловые эффекты в таких лазерах имеют тенденцию быть сильными, а зачастую не очень симметричная форма пучка накачки делает проблему еще более серьезной. Вторая причина в том, что резонаторы с большими модовые зоны как правило, более чувствительны к выравниванию, и для мощных лазеров обычно требуются большие области мод. Это в особенности тот случай, когда требуется высокое качество луча. Следовательно, существует компромисс между высоким качеством луча и слабыми колебаниями направления луча. Очевидно, что при разработке надежных мощных лазеров для промышленного использования важно учитывать такие проблемы.

Выводы

Мы видели это колебания луча может возникнуть в результате вибрации зеркала и тепловых эффектов, и то, и другое можно рассматривать как динамический тип смещения резонатора. Смещение луча и угловые колебания, возникающие в результате заданных колебаний положения зеркала, можно рассчитать с помощью подходящего программного обеспечения, которое также можно использовать для оптимизации целых систем с точки зрения эффектов наведения луча. Очевидно, что минимизация таких эффектов - это не только вопрос стабильной механической установки, но и другие аспекты, такие как конструкция резонатора и свойства лазерного луча накачки. Внешняя оптика, используемая между лазером и приложением, также может оказать важное влияние.

Список используемой литературы

Смотрите также: колебания луча , конструкция резонатора , чувствительность выравнивания

Похожие

Автомобильные электронные системы (часть 1)
... лучае увеличивать продолжительность и увеличивать стоимость проекта. Каждый типичный проект координируется и контролируется многими специалистами, такими как системные инженеры, программисты, механики, электроники, организаторы испытаний, контролеры качества и инженеры-технологи. При проектировании автомобильной электроники необходимо учитывать условия, при которых устройство будет работать. Встроенная система автомобиля должна правильно выполнять свои функции в диапазоне температур
Регулировка велосипедного седла
" Боль высосана «(С немецким Weltschmerz ) - явление, знакомое каждому читателю любого онлайн-форума. Медицина как самый эффективный препарат рекомендует ездить на велосипеде. Хуже, если ваш мотоцикл встречает то же самое на ваших собственных ягодицах. Правильная регулировка седла позволяет эффективно и комфортно крутить
24 из 42 депутатов Житомирского городского совета имеют официальных помощников-консультантов. Об ...
24 из 42 депутатов Житомирского городского совета имеют официальных помощников-консультантов. Об этом говорится в ответе на информационный запрос Житомир.info . По состоянию на 14 июня 2017 56 человек имеют удостоверения помощников-консультантов депутатов Житомирского городского совета.
КУХОННЫЙ ПРОЕКТ № 3: Как переоборудовать кухонные шкафы с МДФ? Поднять или оставить фанеру?
Ремонт кухни в лучшем виде. После большой планирование (щелкните) и роспись плитки (щелкните) пришло время осуществить планы и превратить кухонные шкафы в метаморфозу. Я купил свои кухонные шкафы семь лет назад в BRW. Коллекция Four Seasons и провансальской кухни была моей тогда мечтой. Я чувствовал себя хорошо
Рулевые колеса - Как выбрать лучший руль для игр?
... лучше. В случае автомобильных игр, колесо, несомненно, является основой. Игра с клавиатурой или даже лучший дождь не доставят вам удовольствия, которое мы чувствуем, сидя за настоящим кругом. Сегодня мы подумаем о том, каким должно быть идеальное игровое колесо. Угол поворота Большой угол поворота рулевого колеса является очень желательной особенностью. Благодаря этому мы можем точно воспроизвести поведение реального руля. Самые дешевые рулевые колеса
Руки с LEGO Speed ​​Champions 75884 1968 Ford Mustang Fastback [Обзор]
Хотя LEGO не продемонстрировал новую волну 2018 LEGO Speed ​​Champions на прошлых выходных на Toy Fair в Нью-Йорке весь наш ассортимент ждал нас в Сиэтле после нашего возвращения, и мы представим вам обзоры каждого сета в течение следующей недели перед их выпуском 1 марта. Сегодня мы начинаем с Ford Mustang Fastback 75884 1968 года , который включает в себя
Камера заднего вида обязательна для оснащения автомобиля в США.
Камеры заднего хода вошли в список обязательного оборудования. Однако пока нельзя исключать, что другие страны возьмут на себя регулирование, которое значительно облегчает маневрирование автомобиля и повышает безопасность при движении задним ходом, только в США. Систематически измененные положения заставили оборудовать новые транспортные средства, среди прочего в ABS, ESP, дневные ходовые огни, функция предупреждения о давлении в шинах и недавно система eCall, которая автоматически уведомляет
Тест летних шин - независимые исследовательские центры
Выбор нового комплекта летних шин для вашего автомобиля с одной стороны - очень ответственная задача. В итоге они гарантируют сцепление с дорогой в течение следующих нескольких сезонов и заставят водителя наслаждаться хорошими ходовыми качествами. С другой стороны, покупатель не может пройти тест-драйв. А это значит, что при выборе нужно полагаться только на информацию производителей или независимые исследования. Сегодня мы остановимся на последнем. Прежде чем водитель с желанием купить

Комментарии

Однако действительно ли шум является проблемой систем вентиляции?
Однако действительно ли шум является проблемой систем вентиляции? - Так не должно быть, если целое правильно спроектировано и построено. Это относится к любой системе, также построенной с использованием традиционных стальных листовых каналов. В этом случае, чтобы заставить систему работать тихо, необходимо использовать акустические глушители, звукоизолирующие трубы с покрытием из минеральной ваты, использовать на концах расширительных камер и, прежде всего, использовать каналы с большими
Пример?
Пример? Buerstner Argos A 747-2 G 7 мест для сна, DMC - 5000 кг, и все же места с ремнями безопасности только для шести человек. безопасность В наших обсуждениях безопасность путешественников должна быть самой важной. Перегруженный, часто на 200 кг и более, кемпер труднее в управлении. Характеристики вождения ухудшаются, и тормозной путь увеличивается. Вот почему сверхтяжелые
Но как обстоят дела с частным случаем нагрузки от системы автоматического запуска-остановки?
Но как обстоят дела с частным случаем нагрузки от системы автоматического запуска-остановки? Экологически чистая система Это известно на более длинных красных фазах перед светофором. Автомобили выключаются и перезапускаются только после отпускания педали тормоза автомобиля. Автоматическая система старт-стоп уже включена в стандартную комплектацию многих автомобилей сегодня. Система должна в первую очередь защищать окружающую среду, сокращать выбросы и экономить топливо.

КУХОННЫЙ ПРОЕКТ № 3: Как переоборудовать кухонные шкафы с МДФ?
Поднять или оставить фанеру?
Однако действительно ли шум является проблемой систем вентиляции?
Пример?
Но как обстоят дела с частным случаем нагрузки от системы автоматического запуска-остановки?
© 2013 mexpola.ru