Понятия пространственной и временной когерентности волн
Когерентность - согласованность нескольких колебательных или волновых процессов во времени, проявляющаяся при их сложении. Колебания когерентны, если разность их фаз постоянна во времени и при сложении колебаний получается колебание той же частоты.
Пример двух когерентных колебаний — это два синусоидальных колебания одинаковой частоты.
Когерентность волны означает, что в различных точках волны осцилляции происходят синхронно, то есть разность фаз между двумя точками не зависит от времени. Отсутствие когерентности, следовательно — ситуация, когда разность фаз между двумя точками не постоянна, а меняется со временем. Такая ситуация может иметь место, если волна была сгенерирована не единым излучателем, а совокупностью одинаковых, но независимых излучателей.
Изучение когерентности световых волн приводит к понятиям временной и пространственной когерентности.
Временная когерентность.
Если разность фаз двух колебаний изменяется очень медленно, то говорят, что колебания остаются когерентными в течение некоторого времени Tcoh. Это время Tcoh называют временем когерентности.
Можно сравнить фазы одного и того же колебания в разные моменты времени t1 и t2, разделённые интервалом Tcoh. Если негармоничность колебания проявляется в беспорядочном, случайном изменении во времени его фазы, то при достаточно большом Tcoh изменение фазы колебания может отклониться от гармонического закона.
Для описания подобных процессов (а также процессов излучения, конечной длительности) вводят понятие цуг волн - "отрезок" монохроматической волны, конечной длины. Длительность цуга Tcoh. и будет временем когерентности, а длина lcoh = CTcoh - длиной когерентности (c - скорость распространения волны). По истечении одного гармонического цуга он как бы заменяется другим с той же частотой, но др. фазой.
Таким образом, монохроматические волны в физике являются весьма полезной математической абстракцией, позволяющей досконально изучить основные свойства электромагнитных волн.
Пространственная когерентность.
Понятие пространственной когерентности введено для объяснения явления интерференции (на экране) от двух разных источников.
Так при определённом расстоянии от источников разность оптического хода будет такой, что фазы двух волн будут отличаться на π. В результате этого приходящие волны от различных частей источника в центр экрана будут уменьшать значение мощности по сравнению с максимальным, которое имело бы место, если бы все волны имели одинаковую фазу.
Пространственная когерентность — когерентность колебаний, которые совершаются в один и тот же момент времени в разных точках плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны.
Фаза колебаний в какой-нибудь определённой точке пространства сохраняется только в течение времени когерентности τcoh. За это время волна распространится на расстояние lcoh = vτcoh. Таким образом колебания в точках, удалённых друг от друга на расстояние lcoh, вдоль направления распространения волны, оказываются некогерентными. Расстояние lcoh вдоль направления распространения плоской волны на котором случайные изменения фазы колебаний достигают величины, сравнимой с π, называют длиной когерентности, или длиной цуга.
9. Методы измерения коллимированности лазерного излучения.
10. Метод фокального пятна
11. Автокалибровочный метод
. Как в методе фокального пятна, так и в методе сечений суть измерений расходимо-сти сводится к определению диаметра сечения пучка по тому или иному критерию. Для определения диаметра пучка излучения применяют в основном два метода (ГОСТ 26086-84): метод калиброванных диафрагм и метод распределения плотности энергии (мощно-сти) лазерного излучения. В первом случае используются диафрагмы с плавно изменяю-щимся диаметром или сменные калиброванные диафрагмы. Их устанавливают непосред-ственно в пучке или в фокальной плоскости линзы. Изменяя диаметр диафрагм, регули-руют диаметр пучка, в пределах которого заключена заданная доля энергии (мощности) излучения от полной энергии. В схеме такого измерителя имеются две ветви, в одной из которых и измеряется полная энергия (мощность) пучка. Рассмотренный способ является недостаточно точным, а процесс измерения малооперативным, кроме того, он не дает ин-формации о распределении поля вблизи максимума излучения и не позволяет выявить неоднородности; неоднородности в распределении излучения. Для устранения этого не-достатка применяют метод регистрации распределения плотности энергии (мощности) лазерного изучения в поперечном сечении пучка. Для этого в видимой области и ближнем ИК диапазоне спектра используют фотографирование пятна излучения на фотопленку или фотопластинку с последующей обработкой микрофотометрированием и численным ин-тегрированием на ЭВМ. В случае мощных импульсных и непрерывных лазеров применя-ют нейтральные светофильтры для ослабления излучения. При грубых оценках достаточ-но мощных лазеров размер пятна определяют по размеру отверстия, прожигаемого пучком лазера в непрозрачной мишени (черная бумага, тонкие металлические пластины и т.п.). Более удобным способом измерения, распределения интенсивности в сфокусированном пятне является автокалибровочный способ который основан на разделении ла-зерного пучка на ряд пространственно подобных м и достаточно удаленных один от дру-гого пучков различной интенсивности с помощью пластины L под установленной под уг-лом к пучку лазера. Толстая пластина L ослабляет и многократно расщепляет лазерный пучок. Для более оперативного получения данных, а также для преобразования излучения в видимую область спектра используют ЭОПы, видиконы и диссекторы, которые позво-ляют наблюдать или фотографировать объекты в ближних ИК (до 1.5 мкм), видимых, УФ или рентгеновских лучах.
С появлением многоканальных мозаичных приемников излучения задача опреде-ления относительного распределения плотности энергии или мощности значительно уп-ростилась, а скорость получения результатов измерений существенно повысилась. Парал-лельный принцип измерения многоканальных ПИП локальных плотностей мощности и энергии позволяет проводить анализ импульсного и нестабильного во времени в и про-странстве непрерывного излучения с выдачей результатов непосредственно на экран дис-плея ЭВМ или ЦПУ.
Большинство преобразователей имеют до 100 каналов измерения с размером одно-го элемента от 5х5 до 10х10 мм2. Матричные ПИП основаны на различных принципах действия (термоэлектрические калориметры, пироэлектрические и полупроводниковые приборы) и могут перекрывать видимую и ИК области спектра l= 0.4…25 мкм).
Современные фотодиодные, фоторезистивные и фототранзисторные матрицы со-стоят из нескольких десятков тысяч элементов с шагом нескольких десятков микрометров и общей площадью до 15х15 мм2. Время опроса таких матриц составляет доли миллисе-кунд.
Автоматизированная математическая обработка информации с мозаичных прием-ников обеспечивает вычисление энергетической расходимости (не только относительно точки с максимальной интенсивностью, но и относительно центра тяжести пятна или гео-метрического центра); выделение изоуровней; обработку фокальных пятен неправильной формы; коррекцию искажений измерительного тракта, включая возможность индивиду-альной коррекции неравномерности чувствительности отдельного канала; определение оси диаграммы направленности, ее дрейф в течение времени и т.д.
В то же время многоканальные мозаичные ПИП обладают все еще низкой разре-шающей способностью (до 10 лин/мм), повышенной общей плотностью системы и стои-мостью.
12. Метод двух сечений
2.2.1. Метод применим для измерения расходимости пучка лазерного излучения на расстоянии от выходного окна лазера до 1-го сечения большем d2 /λ (где d- диаметр пучка лазерного излучения, указанный в стандартах или ТУ на лазеры конкретных типов, λ - длина волны лазерного излучения). Расстояние от выходного окна лазера до первого сечения должно соответствовать установленному в стандартах или ТУ на лазеры конкретных типов.
13. Метод диаграммы направленности.
14. Методы измерения пространственной и временной когерентности.
(15. Интерференционный метод., 16. Голографический метод, 17. Метод счета фотонов.) 
18. Диспергирующие спектрометры; интерферометрия с высоким спектральным разрешением. 
19. Интерферометр Фабри-Перо.
20. Оптические системы формирования лазерного луча: коллиматоры и фокусирующая оптика.
Коллиматор.
Коллима́тор (от collimo, искажение правильного лат. collineo — направляю по прямой линии) — устройство для получения параллельных пучков лучей света или частиц.
Оптический коллиматор — это устройство для получения пучков параллельных световых лучей. Оптический коллиматор состоит из объектива (в простейшем случае вогнутого зеркала), в фокальной плоскостикоторого помещён источник света малой величины. Наиболее часто таким предметом служит отверстие непрозрачной диафрагмы, например узкая щель постоянной или изменяемой ширины. Относительное расположение объектива и источника фиксируется закреплением их в корпусе (обычно трубообразной формы). Зачернённые изнутри стенки корпуса поглощают лучи, направление которых не совпадает с оптической осью объектива. Неидеальность параллельного пучка, выходящего из коллиматора, обусловлена конечным размером источника и аберрациями объектива. Фокусное расстояние, действующее отверстие и качество исправлений аберраций объектива, а также форма и размеры предмета выбираются в соответствии с назначением коллиматора и условиями его использования.
Коллиматоры применяются, например, в астрономии для выверки больших измерительных инструментов и определения их коллимационной ошибки, в спектральных приборах для получения пучков света, направляемых в диспергирующую систему, в разнообразных измерительных, испытательных и выверочных оптико-механических приборах и прицельных системах.
Фокусирующая оптика.
Фокусирующие линзы или фокусирующие зеркала
Выпукло-вогнутые линзы разработаны для уменьшения сферической аберрации, производя минимальный размер пятна фокусировки для направленного коллимированного луча. Компания II-VI Infrared обладает обширным запасом опытных образцов и оснастки, и поэтому не увеличивает стоимость за изготовление оснастки при производстве изделий с требуемыми фокусными расстояниями.
Плоско-выпуклые линзы – самый экономичный фокусирующий элемент пропускающего типа, идеально подходят для тепловой лазерной обработки, сварки, резки и улавливания ИК-излучения в тех случаях, когда размер пятна или качество изображения не критичны. Это разумный выбор для эксплуатации в системах с ограниченным преломлением с высоким диафрагменным числом, где форма линзы не влияет на работу системы в целом.
Выходные и конечные окна являются ключевыми компонентами лазерных резонаторов, участтвуя в процессе генерирования лазерного излучения
Выходные окна - полупрозрачные рефлекторы с коэффициентом отражаемости-пропускаемости от (30 до 70%). Используются для вывода лазерного излучения. Изготавливаются в основном из ZnSe.
Конечные окна - полупрозрачные рефлекторы с очень высоким коэффициентом отражаемости-пропускаемости от (99.0 до 99.7%).Малая пропускная способность этих оптических элементов позволяет использовать ваттметр для измерения генерируемой мощности излучения. Изготавливаются на основе GaAs, Ge или ZnSe.
Полупрозрачные рефлекторы могут иметь радиусную кривизну поверхности и/или клинообразную форму (чтобы избежать помех от многократных отражений внутри резонатора).Так же могут быть использованы в устройствах ослабления лазерного излучения.
Плоские и сферические зеркала или полные рефлекторы используются в лазерных резонаторах в качестве поворотных зеркал и конечных окон, а помимо резонаторов, в качестве устройств отклонения луча в системах транспортировки лазерного луча.
В качестве основы, для зеркал чаще всего используют кремний (Si); его преимущества – низкая стоимость,высокая прочность и термоустойчивость.
Медь (Cu) используется для высокомощных областей применения при необходимости наличия высокой термопроводимости.
Твердая поверхность молибдена (Mo) делает данный материал идеально пригодным для самых жестких сред. Обычно компоненты из молибдена поставляются без покрытия.
Резка металла и другие ответственные технологические операции очень чувствительны к любым изменениям по ширине пропила или в поперечном разрезе. Качество ширины пропила зависит от ориентации поляризации относительно направленности резки. Согласно данной теории, допущение о том, что сфокусированный луч ударяет в рабочую поверхность детали под нормальным углом падения, верно только в самом начале процесса резки.
Как только формируется пропил, луч начинает ударять в металл под большим углом падения. Свет, будучи s-поляризованным относительно данной поверхности, отражается гораздо сильнее, нежели p-поляризованный свет, что и ведет к качественным изменениям резки. Наличие четвертьволновой (90°) фазовой пластинки на пути прохождения луча устраняет изменения по ширине пропила за счет преобразования линейной поляризации в круговую (циркулярную).
Круговая поляризация состоит из равного объема s-поляризации и p-поляризации при направленности любого луча, поэтому состав поляризации по всем осям соударения является одинаковым, и материал вырезается равномерно, вне зависимости от направления резки. Линейно поляризованный луч направлен таким образом, что плоскость поляризации составляет 45° к плоскости падения, и он попадает на фазовую пластинку отражения под углом 45° к нормальному. Отраженный луч имеет круговую поляризацию.
21. Параметр качества пучка BPP и метод его измерения.
Beam Parameter Product (BPP)
Перевод Камили Аушевой
Определение: произведение радиуса пучка в фокусе на его угловую расходимость в дальнем поле.
Beam Parameter Product (BPP) лазерного пучка определяется как произведение радиуса пучка (измеренного в перетяжке пучка) на половину угла расходимости пучка (измеренную в дальнем поле). Обычно измеряется в мм∙мрад (миллиметры на миллирадианы). BPP часто используют для характеризации качества излучения лазерного пучка: чем выше beam parameter product, тем ниже качество пучка.
BPP может также определяться для не гауссовых пучков. В таком случае, для определения радиуса и расходимости пучка используют метод второго момента. Наименьший возможный BPP, достигаемый для дифракционно-ограниченного гауссового пучка, равен λ / π. Для примера, минимальный beam parameter product для 1064 нм равен ≈ 0.339 мм∙мрад.
Для не круглых пучков, BPP может быть разным по вертикальному и горизонтальному направлениям.
Отметим, что BPP остается неизменным при прохождении пучка сквозь неаберрационную оптику, такую как тонкие линзы. Если линзы образуют фокус с меньшим радиусом перетяжки пучка, то соответственно возрастает расходимость пучка. Для измерения BPP это позволяет сформировать фокус с удобными размерами, зависящими от используемого оборудования и доступного пространства (которое имеет размеры нескольких релеевских длин).
Неидеальная оптика может «испортить» оптичеcкое качество и этим увеличить BPP. В некоторых особых случаях незначительные аберрации оптических элементов (таких как сферические линзы), могут уменьшить BPP лазерного пучка, если пучок имеет искажения, компенсируемые этими элементами.
Связанный с ВРР параметр - реже используемая величина - diameter–divergence product.
22. Параметр качества пучка М2 и метод его измерения.
Качество пучка лазерного излучения
Перевод Екатерины Архиповой
Определение: качество пучка лазера - мера того, насколько хорошо лазерный луч может быть сфокусирован
Качество пучка лазерного луча может быть определено по-разному, но, по существу, является мерой того. насколько плотно лазерный луч может быть сфокусирован в определенных условиях или коллимирован например с ограниченной расходимостью. Наиболее распространенными способами количественной оценки качества пучка являются:
- параметр качества пучка (BBP) - это произведение диаметра пучка в перетяжке на полный угол раcходимости излучения
-параметр М2 определяется как отношение параметра качества пучка (BBP) к диаметру перетяжки гауссовского пучка с такой же длиной волны.
Наилучшее качество пучка достигается при M2 = 1. К такому значению близки многие лазеры, в частности, твердотельные лазеры работающие с одной поперечной модой (одномодовом режиме), волоконные лазеры на основе одномодовых волокон, а также некоторые маломощные диодные лазеры (особенно полупроводниковые лазеры на вертикальных резонаторах).
С другой стороны, некоторые лазеры с высокой мощностью (например, твердотельные лазеры и объемные полупроводниковые лазеры, такие как диодные линейки) могут иметь очень большой параметр M2, больше, чем 100 или даже значительно выше 1000.
В твердотельных лазерах это часто результат термонаведенных искажений волнового фронта в активной среде, несоответствии эффективной площади моды и накаченной области в лазерном кристалле, в то время как в мощных полупроводниковых лазерах плохое качество пучка возникает из-за того, что они работают в пространственных модах высшего порядка.
В центре дифракционно-ограниченного пучка (т. е. в том месте, где радиус пучка достигает своего минимума) оптические фронты импульса плоские. Любое смешение фронтов импульса, например, из-за оптических компонентов низкого качества, сферической аберрации линз, тепловых эффектов в активной среде, дифракции на отверстиях или из-за паразитные отражений, может испортить качество пучка. Для монохроматического пучка качество может быть восстановлено, например, с помощью фазовой маски, которая точно компенсирует искажения волнового фронта, но это, как правило, на практике затруднительно, даже в тех случаях, когда искажения являются стационарными. Более гибкий подход заключается в использовании адаптивной оптики в сочетании с датчиком волнового фронта.
Вполне возможно, в некоторой степени улучшить качество пучка лазерного луча с помощь оптических резонаторов, которые используются в качестве фильтров для улучшения качества пучка. Это, однако, приводит к некоторой потере оптической мощности.
Яркость лазера определяется его мощностью и его качеством пучка.
Обратите внимание, что термин качество пучка иногда используется с качественным значением, которое имеет мало общего с фокусируемостью. Для некоторых приложений важно получить гладкий профиль интенсивности пучка, например, гауссовой формы, в то время как расходимость пучка не представляет интереса.
Качество лазерного луча может не быть охарактеризовано только параметром M2: один луч может иметь относительно небольшие значения M2, но при этом с несколькими пиками интенсивности по профилю пучка, тогда как другой луч может иметь гладкую форму пучка, но высокую расходимость и, следовательно, большие значения М2.
Для измерения профиля лазерного пучка используются приборы, работающие на различных принципах:Анализатор поперечного распределения интенсивности излучения Ophir-Spiricon
https://www.ophiropt.ru/analysators.htm
По стандарту ISO11146, параметр M2 может быть рассчитан с процедурой приближения, оценивающей изменение радиуса пучка вдоль направления распространения (так называемая каустика). Для корректного результата необходимо соблюдать ряд правил для точного определения радиуса пучка и размещения точек с результатами измерений.
Коммерчески доступные устройства для профилирования луча могут автоматически выполнять измерения качества пучка в течение нескольких секунд. Они обычно основаны на измерении профиля луча в различных положениях. Профилометры луча, основанные на различных принципах измерений, например, CCD и CMOS камер или вращающихся ножей или щелей, значительно отличаются друг от друга с точки зрения допустимого диапазона радиуса пучка и оптической мощности, диапазонам длин волн и т.д.
Например, щелевые профилометры могут использоваться с лазерами более высокой мощности, чем камеры, и могут быть точными для лучей почти Гауссовской формы, в то время как CCD и CMOS камеры, как правило, больше подходят для сложных форм луча.