Enzyklopädie der Laserphysik … 2

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Laserstrahlen

Definition. Lichtstrahlen überwiegend in eine Richtung ausbreitet,

In den meisten Fällen emittiert ein Laserlicht in Form eines Laserstrahls. Dies bedeutet, dass das Licht breitet sich vorwiegend in eine bestimmte Richtung, die typischerweise mit den meisten der optischen Leistung auf einen kleinen Bereich in der Größenordnung von einem Quadratmillimeter konzentriert.

Laserstrahlen sind oft in der Nähe Gaußstrahlen. wobei das Querprofil der optischen Intensität des Strahls kann mit einer Gaußschen Funktion beschrieben werden, variiert die Breite sich entlang der Ausbreitungsrichtung. Diese Variation der Strahlgröße kann für Träger mit großer Breite sehr klein oder sehr schnell für eng fokussierten Strahlen.

Abbildung 1: Snapshot der Verteilung des elektrischen Feldes um den Fokus eines Gaußschen Strahls. In diesem Beispiel ist der Strahlradius nur geringfügig größer ist als die Wellenlänge und der Strahldivergenz stark ist.

Im Allgemeinen weisen Laserstrahlen einen hohen Grad an räumlicher Kohärenz. was zu einer hohen Strahlqualität bezogen ist. Als Folge zeigen solche Strahlen gute Fokussierbarkeit und das Potential mit sehr geringen Strahldivergenz kollimierten Strahlen zu bilden.

Die Ausbreitung der Gaußschen Strahlen kann mit einer Reihe von relativ einfachen Gleichungen berechnet werden. Für Strahlen mit nicht idealen Strahlqualität. man kann eine verallgemeinerte Satz von Gleichungen verwendet werden, die beinhaltet auch die so genannte Strahlqualitätsfaktor M 2 Faktor: einen Parameter für die Strahlqualität von Laserstrahlen zu quantifizieren"gt;M 2. In diesem Fall können die Fragen nicht die detaillierte Entwicklung des Strahlprofils vorherzusagen, aber nur der Strahlradius auf der zweiten Moment des Intensitätsprofils basiert (D4σ Methode).

Laserstrahlen haben oft eine kleine optische Bandbreite. so dass die zeitliche Kohärenz ist ebenfalls hoch. Eine oft unerwünschte Folge der hohen Kohärenz ist die Tendenz Speckle-Muster zu bilden.

Die optische Leistung eines Laserstrahls kann kaum während der Ausbreitung in einem transparenten Medium ändern, oder in einem absorbierenden oder streuende Medium schnell zerfallen. Inhomogenen Medien (d.h. Medien mit lokal variierenden Brechungsindex) kann auch die Formen von Laserstrahlen verzerren. Dies kann aufgrund von beispielsweise geschehen, thermische Effekte wie thermische Lensing in einem Verstärkungsmedium.

Einige Laser emittieren kontinuierlich. aber ein Laserstrahl kann auch einer schnellen Folge von Impulsen bestehen. mit vielen Millionen oder sogar Milliarden von Impulsen pro Sekunde (→ Pulswiederholrate ).

Die meisten Laserstrahlen linear polarisiert. d.h. das elektrische Feld oszilliert in einer bestimmten Richtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Einige Laser emittieren jedoch Licht mit einer undefinierten, fluktuierende Polarisationszustand.

Ein Laserstrahl von sichtbarem Licht mit einer ausreichend hohen Leistung kann sichtbar sein, wenn in der Luft ausbreiten. Dies liegt daran, dass ein winziger Teil der optischen Leistung, die von Staubteilchen und / oder Dichteschwankungen in der Luft gestreut wird, und kann daher das beobachtende Auge erreichen. Wenn der Laserstrahl etwas diffus streuende Objekt trifft, wie ein weißer Bildschirm wird ein viel heller Fleck auf diesem Bildschirm zu sehen ist, den größten Teil der optischen Leistung, da an dieser Stelle gestreut wird.

Near Field und Fernfeld von Laserstrahlen

Das Nahfeld eines Laserstrahls versteht man den Bereich um die Strahltaille (Fokus) zu sein. Das Fernfeld weit von der Strahltaille betrifft das Strahlprofil, das heißt in einem Abstand von dem Fokus, der groß ist im Vergleich mit der effektiven Länge Rayleigh. Das Fernfeld-Intensitätsprofil zeigt Einzelheiten der Strahldivergenz. die im Nahfeld können nur mit Wellenfrontmessungen gewonnen werden. Da es oft nicht praktikabel ist, direkt mit dem Fernfeld zugreifen zu können, kann man eine Fokussierlinse (oder Spiegel) verwenden, um ein Intensitätsprofil in seiner Brennebene zu erhalten, die eine abgespeckte Version des Fernfeldmuster zeigt.

Einschränkungen für die Fokussierung von Laserstrahlen

Laserstrahlen können zur Übertragung optischer Energie eher kleine Flecken oder mit geringer Strahldivergenz über große Entfernungen verwendet werden. Es gibt jedoch Einschränkungen dazu, die die optische Wellenlänge beinhalten, die Strahlqualität und die transversale Größe der verwendeten Fokussierung oder Kollimationsoptik. Einige dieser Einschränkungen werden im Folgenden diskutiert, immer vorausgesetzt, Ausbreitung des Strahls durch ein homogenes Medium (d.h. ohne zusätzliche Strahlverzerrungen auf dem Weg).

Wenn ein Laserstrahl auf einen Punkt (Strahltaille) fokussiert mit Strahlradius w0. sie weist einen gewissen Divergenzwinkel Strahl, der an der Taille Strahlradius umgekehrt proportional und proportional zu der optischen Wellenlänge in der M 2 Faktor: einen Parameter für die Strahlqualität von Laserstrahlen Quantifizieren"gt;M 2-Faktor:

Die verwendeten Fokussierungsoptik muss in der Lage sein, diese Menge an Strahldivergenz zu behandeln; eine Begrenzung dafür ergibt sich aus der begrenzten numerischen Apertur der Optik. Auch, wenn der Fokus einen großen Abstand von der Fokussieroptik zu haben und / oder die Taille Strahlradius klein ist oder die Strahlqualität niedrig ist, der Strahlradius in der Fokussieroptik notwendigerweise ziemlich groß sein. Eine entsprechend große offene Öffnung der Optik erforderlich. einen Parameter zur Quantifizierung der Strahlqualität von Laserstrahlen: Solche Faktoren in der Praxis kann eine untere Grenze für die erreichbare Strahlradius im Fokus, oder eine obere Grenze der tolerierbaren M 2-Faktor eingestellt"gt;M 2 Faktor des Strahls.

In einigen Fällen optimiert man den Strahlradius in der Strahlfokus, so dass der Strahlradius in einem gewissen Abstand vom Fokus möglichst gering ist. Zu diesem Zweck hat man die Taillenstrahlradius, so dass die effektive Rayleigh Länge des Balkens gleich der genannten Übertragungsreichweite zu wählen. Der resultierende Strahlradius an der entfernten Position wird dann ≈1,41-fache der Taille Strahlradius.

Wenn die gesendeten-out Strahl nicht seinen Fokus hat auf die Fokussierungsoptik zu haben, sollte man den Fokus in der Mitte zwischen der Optik legen und dem fernen Punkt. Idealerweise wird die effektive Rayleighlängen dann die Hälfte der Übertragungsabstand sein. Der Strahlradius an der Stelle Abstand wird zu der bei der Fokussieroptik identisch sein, und ≈1,41-mal größer als in der Strahlfokus.

Zum Beispiel sollte, wenn ein Gaußscher Laserstrahl bei 1064 nm zum Mond gesendet werden (Entfernung 380 000 km), um dort einen kleinen Fleck zu beleuchten, der ideale Strahlradius im Fokus stehen 8 m betragen, so dass die Rayleigh-Länge 190 ist 000 km. Der Strahlradius in der Fokussierungsoptik und auf dem Mond wird dann 11,3 m betragen. Wenn die verwendete Senden Teleskop nicht so groß sein kann, wird der beleuchtete Fleck auf dem Mond größer sein.

Wenn eine Strahlfokus in einiger Entfernung von einigen Fokussierungsoptik mit einer begrenzten offener Blende zu schaffen, erhöht sich die mögliche Taille Strahlradius, wenn dieser Abstand vergrößert wird. Weiterhin gibt es ein Maximum zu dieser Entfernung; im Extremfall gleich dem Abstand der effektiven Rayleigh Länge des Balkens, und die sich ergeb wird Taillenstrahlenradius kleiner ist als der Strahlradius an der Fokussieroptik durch die Quadratwurzel von 2 (≈1.41). Man kann also bequem die Länge auf der anfänglichen Strahlradius basierend Rayleigh berechnen und damit die maximale Fokussierungsabstand.

Experimentelle Charakterisierung von Laserstrahlen

Es gibt verschiedene Vorrichtungen und Techniken zum Erzeugen eines Laserstrahls in vielerlei Hinsicht Charakterisierung:

  • Die gesamte optische Leistung, die von einem Laserstrahl durch kann mit einem Leistungsmesser gemessen werden. Es gibt auch Energiezähler Pulsenergien von gepulsten Lasern für die Messung.
  • Das Intensitätsprofil (Bestrahlungsprofil) kann mit irgendeiner Art von Strahlprofil gemessen werden. die auf einer Kamera beruhen. Einige Laserstrahlen zeigen “Hot-Spots”, Das heißt Bereiche mit höherer Intensität, die Rolle in Schadensphänomene spielen können. Es können auch Satellitenstrukturen, Halos und andere Abweichungen von Strahl Einheitlichkeit sein. Man beachte, dass die Form des Strahlintensitätsprofils während der Ausbreitung ändern kann, und ist auch nicht immer über die Zeit stabil.
  • Einige Vorrichtungen messen nicht die gesamte Strahlprofil, sondern nur einen Strahl Radius oder Durchmesser. Man beachte, daß der Strahl Radius der Regel nicht als eine Halbwertsbreite definiert, bei dem halben Maximum (HWHM) Wert, sondern als die radiale Position, wo die Intensität auf 1 / e 2 mal der Spitzenintensität fällt. Dies ergibt sich aus dem Kontext der Gaußschen Strahlen.
  • Wellenfrontsensoren, beispielsweise der Shack–Hartmann-Typ kann die Form der optischen Wellenfronten zu messen, verwendet werden.
  • Die Strahlqualität (M 2 Faktor: einen Parameter für die Strahlqualität von Laserstrahlen Quantifizieren"gt;M 2-Faktor) kann nur von mehreren Intensitätsprofilen oder aus Intensität und Wellenfront-Messungen an einem Ort berechnet werden.
  • Ein Laserstrahl kann Strahlzeigeschwankungen aufweisen. was durch Überwachen der Position (der Schwerpunkt der Intensitätsverteilung) an einer geeigneten Stelle gemessen werden.
  • Der Polarisationszustand vielleicht gekennzeichnet unterschiedliche Orientierungen auf die Kraftübertragung von einem Polarisator grob basiert, oder mehr vollständig mit verschiedenen Techniken für die Polarimetrie.

Für viele Laseranwendungen. ist es wesentlich, geeignete Mittel zur Strahldiagnostik haben, da viele mögliche Probleme können mit solchen Instrumenten identifiziert werden.

Literaturverzeichnis

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