レーザービームの品質

レーザー科学では、レーザービーム品質は、ビーム照射パターンの側面と、特定のレーザービームの伝播および変換特性のメリットを定義します (空間帯域幅基準)。たとえば、ビームパターンを観察して記録することで、ビームの空間モード特性や、ビームが障害物によって遮られているかどうかを推測できます。レンズでレーザービームを集束し、最小スポットサイズを測定することで、回折限界の回数または集束品質を計算できます。

レーザービームの品質研究は、レーザーの発見に続いて 1960 年代に始まりました。^[1] M (モード) 係数は、ガウス形状のビーム内の高次モードの存在を実験的に測定するために導入されました。1970 年の初めに、ラリー・マーシャル^[2]は、「強度断面積がガウス形状から変化するにもかかわらず、ビーム径を等価ガウスモードの 1/e^2 径の M 倍として定義すると便利です」と述べました。アンソニー・E・ジーグマンは、この形式化を大幅に進歩させ、波長とは無関係に、異なるビームを測定して比較するために使用できる方法を提供しました。^[3]この係数は現在、ビーム伝播比 (M ² )と呼ばれ、ビームパラメータ積と密接に関連しています。M ^{2係数はビームの空間特性の詳細を与えませんが、基本モードの}ガウスビームにどれだけ近いかを示します。また、ビームの最小スポットサイズとビームの発散も決定します。M ^{2 は、たとえば}レーザーゲイン媒体におけるパワー誘起熱レンズ効果によるビームの歪みの指標にもなります。

単純な品質指標としてのM ²パラメータにはいくつかの制限があります。正確に測定することが難しい場合があり、背景ノイズなどの要因によって M ²に大きな誤差が生じる可能性があります。^[4]分布の「裾」に大きく外れたパワーを持つビームでは、 M ^{2 は}予想よりもはるかに大きくなります。理論上、理想的なトップハットレーザービームの M ²は無限大ですが、これは物理的に実現可能なトップハットビームには当てはまりません。純粋なベッセルビームでは、 M ^{2 を}計算することすらできません。^[5]

「品質」の定義も用途によって異なります。高品質のシングルモードガウスビーム（M ^{2 が}1に近い）は多くの用途に最適ですが、他の用途では均一なマルチモードトップハットビームの強度分布が必要です。例としてはレーザー手術があります。^[6]

パワー・イン・ザ・バケットとストレール比は、ビーム品質を定義するためのもう 2 つの試みです。これらの方法は両方とも、レーザー ビーム プロファイラーを使用して、特定の領域に供給される電力の量を測定します。また、M ²、パワー・イン・ザ・バケット、およびストレール比 の間には単純な変換はありません。

純粋なガウス分布のTEM _{00非集束ビームが空間を伝播するときの}発散の式は次のように表される。

${\displaystyle \Theta _{00}={4\lambda \over \pi D_{00}}}$、（１）

ここで、D _00はビームウェストの直径、λは波長である。高次モードビームは、より大きなビームウェストD ₀から始まり、より速い発散角Θ _{0 を}持つことが多い。この場合、式（1）は

${\displaystyle \Theta _{0}=M^{2}{4\lambda \over \pi D_{0}}}$、（２）

ここで、Θ ₀とD _{0 は}高次モードビームの発散角とウェストであり、M ^{2 は}1 より大きく、ISO 11146 規格に従って「ビーム伝播比」と呼ばれます。ガウスレーザービームが焦点を合わせると、焦点スポット径は次のように定義されます。

${\displaystyle d_{00}={4\lambda f \over \pi D_{00}}}$、（３）

ここで、d ₀₀は理想的な集光スポット径、fは集光レンズの焦点距離、D _{00 は入力ビームウェストであり、図に示すようにレンズから1焦点距離離れた位置に配置されます。ただし、}マルチモードビームが集光されている場合、式（3）は

${\displaystyle d_{0}=M^{2}{4\lambda f \over \pi D_{0}}}$（４）

M ^{2 は}、単一のビームプロファイル測定から決定することはできません。ISO/DIS 11146 では、M ²は、下の図に示すように、一連の測定から計算する必要があると定義されています。^[7] M ²は、実際のビームで、既知の焦点距離の固定位置レンズでビームを集束させ、ビームウェストと発散角の特性を測定することによって測定されます。これらの測定は、レーザービームプロファイラーで行うことができます。^[8]

複数の測定により、最小のビーム径が確実に検出され、「曲線フィット」が可能になり、測定誤差を最小限に抑えて計算の精度が向上します。