激光光束指向稳定度

2022-07-28

激光器输出光束的方向会有一些光束指向的波动，这在某些情况下会造成很大的问题--例如，当光束必须被耦合到单模光纤中时，或者当光束必须精确地击中一个大距离的目标时。由于这些原因，对光束指向稳定性的定量测量可能是很重要的。

　　光束指向波动的物理根源：

　　大体积激光器的光束指向波动可以有不同的来源：

　　机械振动(例如从地面拾起)和漂移(例如由热效应引起的)可以影响光学元件的对准，特别是激光共振器的反射镜。这样一来，谐振器模式的位置以及输出光束的位置就会受到影响。

　　对光束的位置也可能有直接的热效应。特别是，增益介质(如激光晶体)中的热透镜可能不仅与聚焦作用有关，而且还与一些光束偏移有关。当泵浦光束轮廓不完全对称，或没有很好地与谐振器轴线对齐时，这种情况尤其明显。

　　重要的是要注意，谐振镜的某种倾斜不一定转化为输出光束的同等大小的倾斜。相反，它通常会导致某种(更大或更小)的倾斜与光束的某种移动(偏移)的组合。这种影响的类型取决于整个谐振器的设计(正如关于对准灵敏度的文章中所讨论的)。对于一个线性谐振器，对准灵敏度在两个稳定区可能非常不同，甚至在这样的区域边缘附近会出现分歧。不同的谐振器镜面的对齐灵敏度也会有很大的不同。这类问题对优化指向稳定性有重要影响。

　　光束指向稳定性的量化：

　　商业激光产品的光束指向稳定性通常是定量规定的。不幸的是，这种规格往往不精确，甚至毫无意义。一个有用的角度波动规格必须遵守一些重要的问题：

　　必须明确所引用的数字是适用于光束偏离某个参考轴，还是适用于可能的角度范围的总宽度，还是适用于某个时间间隔内的最大角度变化。

　　应该明确这些数字是典型值、绝对极限(在指定条件下的操作不得超过)，还是r.m.s.(均方根)值。

　　需要规定操作条件，包括例如环境温度的稳定性、所需的预热时间(在此期间可能会出现较大的波动)、以恒定或可变的输出功率操作等。

　　此外，还必须指定时间尺度或频率范围。理想的情况是，指定一个噪声频率范围，其中较低的数值与最大测量时间有关，较高的数值与测量带宽有关。具有较小的低噪声频率的规格包括长期漂移。在其他情况下，只对快速波动感兴趣，例如100赫兹到10千赫兹的频率范围可能是合适的。

　　最后，当然必须清楚这些数字适用于哪一束光：例如，直接从激光器获得的光束，或经过准直透镜的光束。这一点非常重要，因为激光器外的光学装置通常会改变光束的指向稳定性(见下文)。

　　仅仅是角度波动的大小实际上往往不足以计算应用中光束指向波动的影响;平行光束偏移有多大，以及这些偏移与角度波动的关系如何，也很重要。

　　外部光学器件对光束指向稳定性的影响：

　　如果激光束被送过一些光学装置，一般来说，这将改变光束指向波动的大小和类型，即使光学元件是绝对稳定的。下面的两个例子说明了这一点。

　　如果准直光束打到聚焦透镜上，透镜后的焦点将根据输入光束的角度波动表现出横向运动，而输入光束的这种横向偏移只影响焦点中的光束方向。如果输入光束获得一个等于光束发散的角度偏移，透镜后的焦点将被横向偏移一个光束半径(在光束腰部测量)。

　　考虑一个放大系数为M=2的扩束望远镜，放在激光的准直光束中。输出的光束不仅有两倍的光束半径，而且还有一半的角波动的r.m.s.值。