Определение угла расхождения лазерного пучка и измерение распределения энергии в пучке

Высокую направленность излучения и возможность фокусировки излучения в пятно чрезвычайно малых размеров обуславливает пространственная когерентность пучка лазера. Направленность излучения характеризуется телесным углом, в котором распространяется большая часть излучения. Чем меньше телесный угол, тем больше направленность излучения. Часто в качестве параметра ОКГ применяется не телесный угол, а плоский угол расхождения пучка. Если расходящийся пучок представляет собой конус, то между плоским и телесным углом существует простая связь. Телесный угол ω, соответствующий плоскому углу θ, вычисляется по формуле

(3)

Для углов θ < 60 с достаточной для практики точностью применима формула

(4)

где ω выражается в радианах. Теоретически плоский угол расхождения пучка ОКГ с плоскопараллельным резонатором можно определить как угол дифракции на выходном отверстии. Угловое расстояние первого дифракционного минимума от центра дифракционной картины в случае дифракции плоской волны на круглом отверстии диаметром D равно:

(5)

Ширина дифракционного максимума на уровне половинной интенсивности для основной моды резонатора с плоскими зеркалами дается выражением

(6)

Это значение является предельно допустимым углом расхождения пучка лазера. Практически этот дифракционный предел, еще не достигнут. Объясняется это значением многих поперечных мод резонатора, а главным образом, неоднородностью активного вещества. Расхождение теоретических данных с практическим результатом объясняется еще и тем, что часто за диаметр излучающего пятна берется диаметр всего пятна, между тем как излучение происходит часто в виде отдельных «волокон».

Естественно, чем меньше угловая расходимость луча, тем точнее она должна быть измерена. К сожалению, до сих пор отсутствуют точные методы определения угла расхождения пучка ОКГ, особенно импульсных.

На рисунке 3 показана схема, пригодная для измерения угла расхождения луча непрерывных ОКГ.

Рисунок 3 - Схема измерения угла расхождения луча ОКГ

Экран Э устанавливается перпендикулярно оси пучка на расстоянии L от выходного отверстия генератора. Если излучение происходит в видимой области спектра, то визуально измеряются диаметры d и D сечения пучка соответственно на выходе из прибора и на экран. Угол расхождения

(7)

В связи с небольшим значением угла θ точность измерений сильно зависит от точности измерений диаметров. Обычно они берутся на уровне половинной интенсивности. Для визуальной оценки этот уровень определяется приближенно. Для повышения точности желательно увеличивать расстояние L. В данной работе измерение диаметров производится фотоэлектрическим способом.