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.

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

Комментарии