Producto de parámetros de haz

En la ciencia del láser , el producto del parámetro del haz ( BPP ) es el producto del ángulo de divergencia de un haz láser (semiángulo) y el radio del haz en su punto más estrecho (la cintura del haz ). ^[1] El BPP cuantifica la calidad de un haz láser y qué tan bien se puede enfocar en un punto pequeño.

Un haz gaussiano tiene el BPP más bajo posible, , donde es la longitud de onda de la luz. ^[1] La relación entre el BPP de un haz real y el de un haz gaussiano ideal en la misma longitud de onda se denota M ² (" M al cuadrado "). Este parámetro es una medida independiente de la longitud de onda de la calidad del haz. ${\displaystyle \lambda /\pi }$ ${\displaystyle \lambda }$

La ecuación de onda general, asumiendo una aproximación paraxial, da como resultado:

${\displaystyle \mathrm {BPP} =\varphi \cdot w_{0}=M^{2}\cdot {\frac {\lambda }{\pi }}}$.

Con:

${\displaystyle \varphi }$El medio ángulo en el campo lejano

${\displaystyle w_{0}}$La cintura de la viga

${\displaystyle M^{2}}$el factor de calidad del haz, M al cuadrado

${\displaystyle \lambda }$La longitud de onda .

La calidad de un haz es importante para muchas aplicaciones. En las comunicaciones por fibra óptica, se requieren haces con un M ^{2 cercano a 1 para acoplarse a} la fibra óptica monomodo . Los talleres de máquinas láser se preocupan mucho por el parámetro M ² de sus láseres porque los haces se enfocarán en un área que es M ⁴ veces más grande que la de un haz gaussiano con la misma longitud de onda y ancho de cintura D4σ; en otras palabras, la fluencia se escala como 1/M ⁴ . La regla general es que M ² aumenta a medida que aumenta la potencia del láser. Es difícil obtener una excelente calidad del haz y una alta potencia promedio (100 W a kWs) debido al efecto de lente térmica en el medio de ganancia del láser .

Medición

Existen varias formas de definir el ancho de un haz. Al medir el producto de los parámetros del haz y M ² , se utiliza el ancho del haz D4σ o "segundo momento" para determinar tanto el radio de la cintura del haz como la divergencia en el campo lejano. ^[2]

El BPP se puede medir fácilmente colocando un detector de matriz o un perfilador de rendija de barrido en múltiples posiciones dentro del haz después de enfocarlo con una lente de alta calidad óptica y una distancia focal conocida . Para obtener correctamente el BPP y M ² se deben seguir los siguientes pasos: ^[3]

1. Mida los anchos D4σ en 5 posiciones axiales cerca de la cintura de la viga (la ubicación donde la viga es más angosta).
2. Mida los anchos D4σ en 5 posiciones axiales al menos a una longitud de Rayleigh de la cintura.
3. Ajuste los 10 puntos de datos medidos a , ^[4] donde y es el segundo momento de la distribución en la dirección x o y (ver Diámetro de la viga § D4σ o ancho del segundo momento ), y es la ubicación de la cintura de la viga con un ancho del segundo momento de . Ajustando los 10 puntos de datos se obtiene M ² , , y . Siegman demostró que todos los perfiles de vigas (gaussianos, de parte superior 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. El uso de otras definiciones de ancho de viga no funciona. ${\displaystyle W^{2}(z)=W_{0}^{2}+M^{4}\left({\frac {\lambda }{\pi W_{0}}}\right)^{2}(z-z_{0})^{2}}$ ${\displaystyle W(z)=2\sigma (z)={\tfrac {1}{2}}{\text{D4}}\sigma (z)}$ ${\displaystyle \sigma ^{2}(z)}$ ${\displaystyle z_{0}}$ ${\displaystyle \sigma _{0}}$ ${\displaystyle z_{0}}$ ${\displaystyle \sigma _{0}}$

En principio, se podría utilizar una única medición en la cintura para obtener el diámetro de la cintura, una única medición en el campo lejano para obtener la divergencia y, a continuación, utilizar estas mediciones para calcular el BPP. Sin embargo, en la práctica, el procedimiento descrito anteriormente proporciona un resultado más preciso.

Los láseres de alta potencia, como los que se utilizan en la soldadura y el corte por láser , se miden normalmente utilizando un divisor de haz para muestrear el haz. El haz muestreado tiene una intensidad mucho menor y se puede medir mediante un perfilador de rendija de barrido o de filo de cuchilla. La buena calidad del haz es muy importante en las operaciones de soldadura y corte por láser. ^[5]

Véase también

• Etender
• Lista de artículos sobre láser

Referencias

1. Paschotta, Rüdiger. "Beam parameter product". Encyclopedia of Laser Physics and Technology . RP Photonics. Archivado desde el original el 18 de octubre de 2006. Consultado el 22 de septiembre de 2006 .
2. AE Siegman, "Cómo (tal vez) medir la calidad del rayo láser", presentación tutorial en la Reunión Anual de la Sociedad Óptica de América, Long Beach, California, octubre de 1997.
3. ISO 11146-1:2005(E), "Láseres y equipos relacionados con el láser. Métodos de ensayo para anchos de haz láser, ángulos de divergencia y relaciones de propagación del haz. Parte 1: Haces estigmáticos y astigmáticos simples".
4. AE Siegman, "Cómo (tal vez) medir la calidad del haz láser", presentación del tutorial en la reunión anual de la Optical Society of America, Long Beach, California, octubre de 1997, pág. 9. (Tenga en cuenta que hay un error tipográfico en la ecuación de la página 3. La forma correcta proviene de las ecuaciones de la página 9).
5. Aharon, Oren (20 de febrero de 2014). Dorsch, Friedhelm (ed.). "Análisis de haces de alta potencia". Proc. SPIE . Procesamiento de materiales con láser de alta potencia: láseres, suministro de haces, diagnósticos y aplicaciones III. 8963 : 89630M. Bibcode :2014SPIE.8963E..0MA. doi :10.1117/12.2036550. S2CID  122675242.

Lectura adicional

• Wang, Zuolan; Drovs, Simon; Segref, Armin; Koenning, Tobias; Pandey, Rajiv (2011). Cálculo del producto de parámetros del haz de láser de diodo acoplado a fibra y reglas para el diseño optimizado (PDF) . SPIE Lase. Photonics West. Artículo 7918-8. San Francisco, CA, EE. UU.