En la ciencia del láser , el parámetro M 2 , también conocido como relación de propagación del rayo o factor de calidad del rayo, es una medida de la calidad del rayo láser . Representa el grado de variación de un haz de un haz gaussiano ideal . [1] Se calcula a partir de la relación entre el producto del parámetro del haz (BPP) y el de un haz gaussiano con la misma longitud de onda . Relaciona la divergencia del rayo láser con el tamaño mínimo del punto enfocado que se puede lograr. Para un rayo láser TEM 00 (gaussiano) de modo único , M 2es exactamente uno. A diferencia del producto del parámetro del haz, M 2 no tiene unidades y no varía con la longitud de onda.
El valor M 2 para un rayo láser se usa ampliamente en la industria del láser como especificación, y su método de medición está regulado como estándar ISO. [2]
Medición
Hay varias formas de definir el ancho de una viga. Cuando se mide el producto del parámetro de la viga y M 2 , se usa el ancho D4σ o "segundo momento" de la viga para determinar tanto el radio de la cintura de la viga como la divergencia en el campo lejano. [1]
M 2 se puede medir colocando un detector de matriz o un perfilador de ranuras de exploración en múltiples posiciones dentro del haz después de enfocarlo con una lente de alta calidad óptica y distancia focal conocida . Para obtener correctamente M 2 se deben seguir los siguientes pasos: [3]
- Mida los anchos D4σ en 5 posiciones axiales cerca de la cintura de la viga (la ubicación donde la viga es más estrecha).
- Mida los anchos D4σ en 5 posiciones axiales al menos a una longitud de Rayleigh de la cintura.
- Ajuste los 10 puntos de datos medidos a , [4]
- Aquí es la mitad de la ancho de haz y es la ubicación de la cintura de la viga con ancho . Al ajustar los 10 puntos de datos se obtiene M 2 , , y . Siegman demostró que todos los perfiles de vigas (gaussianos, de superficie plana , TEMxy o de cualquier forma) deben seguir la ecuación anterior siempre que el radio de la viga utilice la definición D4σ del ancho de la viga. [1] El uso de otras definiciones de ancho de viga no funciona.
En principio, se podría usar una única medida en la cintura para obtener el diámetro de la cintura, una única medida en el campo lejano para obtener la divergencia, y luego usarlas para calcular el M 2 . Sin embargo, el procedimiento anterior da un resultado más preciso en la práctica.
Utilidad
M 2 es útil porque refleja qué tan bien se puede enfocar un rayo láser colimado en un punto pequeño, o qué tan bien se puede colimar una fuente de láser divergente. Es una mejor guía para la calidad del haz que la apariencia gaussiana porque hay muchos casos en los que un haz puede parecer gaussiano, pero tener un valor M 2 lejos de la unidad. [1] Del mismo modo, un perfil de intensidad de haz puede parecer muy "no gaussiano", pero tener un valor M 2 cercano a la unidad.
La calidad de una viga es importante para muchas aplicaciones. En las comunicaciones por fibra óptica, se requieren haces con un M 2 cercano a 1 para el acoplamiento a la fibra óptica monomodo .
M 2 determina qué tan apretado se puede enfocar un haz colimado de un diámetro dado: el diámetro del punto focal varía como M 2 , y la irradiancia escala como 1 / M 4 . Para una cavidad láser dada , el diámetro del haz de salida (colimado o enfocado) se escala como M y la irradiancia como 1 / M 2 . Esto es muy importante en el mecanizado y la soldadura por láser , que dependen de una alta fluencia en el lugar de la soldadura.
Generalmente, M 2 aumenta a medida que aumenta la potencia de salida de un láser. Es difícil obtener una calidad de haz excelente y una potencia media alta al mismo tiempo debido a la lente térmica en el medio de ganancia del láser .
Propagación de haz multimodo
Los rayos láser reales a menudo no son gaussianos, son multimodo o modo mixto. La propagación del haz multimodo a menudo se modela considerando un gaussiano denominado "incrustado", cuya cintura del haz es M veces más pequeña que la del haz multimodo. El diámetro del haz multimodo es entonces M veces el del haz gaussiano integrado en todas partes, y la divergencia es M veces mayor, pero la curvatura del frente de onda es la misma. El haz multimodo tiene M 2 veces el área del haz pero 1 / M 2 menos de intensidad del haz que el haz incrustado. Esto es válido para cualquier sistema óptico dado y, por lo tanto, el tamaño de punto mínimo (enfocado) o la cintura del rayo de un rayo láser multimodo es M veces la cintura del rayo gaussiano integrado.
Ver también
Referencias
- ↑ a b c d Siegman, AE (octubre de 1997). "Cómo (quizás) medir la calidad del rayo láser" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 4 de junio de 2011 . Consultado el 8 de febrero de 2009 . Presentación del tutorial en la reunión anual de Optical Society of America, Long Beach, California
- ^ "Láseres y equipos relacionados con láser - Métodos de prueba para anchos de rayo láser, ángulos de divergencia y relaciones de propagación del rayo". Norma ISO. 11146 . 2005. Cite journal requiere
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( ayuda ) - ^ ISO 11146-1: 2005 (E), "Láseres y equipos relacionados con láser. Métodos de prueba para anchos de rayo láser, ángulos de divergencia y relaciones de propagación del rayo. Parte 1: Rayos estigmáticos y astigmáticos simples".
- ^ Véase Siegman (1997), p. 9. Hay un error tipográfico en la ecuación de la página 3. La forma correcta proviene de las ecuaciones de la página 9.