雷射基礎
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Gaussian beam

雷射參數與特性介紹(Introduction to basic Laser Parameters and Characteristics)

詳細介紹
基本的雷射參數與特徵
  • 波長(Wavelength
  • 功率週期(Duty cycle):脈衝寬/脈衝重複間隔
  • 平均功率(Average power):平均功率=峰值功率 x 功率週期,單位:watts
  • 脈衝能量(Pulse energy):單個脈衝所具有的總能量(功率對時間積分)。規律的脈衝列,若其脈衝之間能量損失可以忽略,其脈衝能量可由平均功率與重複頻率求得:脈衝能量=平均功率(watts/重複頻率(Hz),尺度通常在μjmj
  • 脈衝寬度(Pulse width)/持續時間(Duration)(Q開關雷射之尺度通常在ns
  • 重複頻率(Repetition Rate):單位時間內的脈衝數量或是脈衝重複間隔的倒數。例如:Q開關雷射之重複頻率範圍從小於1Hz至超過200kHz
  • 光束品質(Beam quality):有多種定義方式,指光束能確實地落在指定條件下(例如:散度)的能力,和空間同調性有關。常用M2因子[1],但有時也會用 光束參數積(Beam Parameter Product,BPP
  • 光束參數積(Beam Parameter Product,BPP:雷射集中在一狹小區域的能力,公式為:
BPP = R*α
單位:mm x mrad(毫米*毫弳度);R:光束半徑(從光束腰身測量);α:光束發散度半角(從遠場測量)

常用的標準是以光束腰身的86.5%1/e2),即光強降為峰值得13.5%1/e2測量。如圖:

98% BPP=R*α mm x mrad
86% BPP=r*β mm x mrad
 BPP越小,代表光束品質越好。理論中品質最好,即最小的BPP
 BPP0=λ/π,此時稱為繞射極限高斯光束[1][2]
  • 因子 : BPP相似,M2因子也是一個衡量光束品質的指標,公式為  M2 = BPP/BPP0  
BPP0=λ/π
品質最好的光束為繞射極限光束,且為高斯光束,其M2=1
實務上,TEM00[3](橫向基模)可接受M2範圍在<1.3
  • 光束半徑(Beam radius,w:光束中心到光強衰退至1/e213.5%)的距離
  • 光束發散度 Beam divergence:從遠場量測的全角或半角,θ=λ/(π*w0),單位:mrad
  • 數值孔徑(Numerical Aperture,NA:是用來描述接收光的角度大小,NA越大,則能接收的光越多。
公式為 NA=nsinθ
n為透鏡所在介質的折射率,空氣的折射率為1,水的折射率為1.33
θ為光進入透鏡時最大入射角。

 
  • 繞射極限光束(Diffraction-limited beam
固定光束腰身半徑下,光束發散角可以達到最小值得光束。
在固定波長下,雷射光束能聚焦成越小的點,代表其發散角越小,品質越好,因此繞射極限光束的品質是最好的。而其定義與所取的光束腰身半徑即發散角有關,若採用高斯光束來建模,則其繞射極限為     θ=λ/π
  • 高斯光束(Gaussian beam):橫向電場和光照分布近似於高斯函數的光。
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高斯光束有以下特性:
  1. 發散角和光束腰身的乘積為一常數,且高斯光束中任一光強的橫斷面都符合高斯函數,差別僅在光束半徑。
  2. 光束半徑內的功率為總功率的86.5%(1-1/e2)
  3. 光腰處的等相位面為一平面。
  
  • TEM00(橫向波基本模態):橫向波模指的是雷射光斑的能量分布,而橫向波基模即為最簡單的橫向波模,其光斑為一圓形。
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  • Q開關(Q-switch/Q-switching
是一種產生脈衝雷射的方式,藉由改變共振腔的Q值來產生高峰值的脈衝。平時透過降低Q值,使雷射無法輸出,此時仍然持續提供能量給雷射增益物質。當Q值由低轉為高時,便會將這股能量釋放出來,產生高功率的雷射。