איכות אלומת לייזר

בתחום הלייזרים, איכות אלומת הלייזר מתבטאת במאפיין או פרמטר מספרי הקובע את האופן בו מתפשטת אלומת הלייזר במרחב. במילים אחרות, איכות האלומה קובעת מה יהיה קוטר האלומה לאחר שתתקדם מרחק מסוים, ולאיזה קוטר ניתן למקד את האלומה בעזרת עדשה.

זיגמן היה הראשון שהציע לאפיין את איכות אלומת לייזר על ידי פרמטר הניתן למדידה ואינו תלוי באורך הגל, כך שהוא מאפשר השוואה בין אלומות לייזר שונות. <ref></ref> הפרמטר נקרא M<sup>2</sup> (אם בריבוע), והוא קשור קשר הדוק למונח מכפלת האלומה. בעוד שפרמטר M<sup>2</sup> אינו מפרט את המאפיינים המרחביים של האלומה, הוא מצביע עד כמה האלומה קרובה להיות קרן גאוסיאנית במצב בסיסי. כמו כן, הפרמטר קובע את גודל האלומה במוקד עבור אלומות פשוטות או רגילות. M<sup>2</sup> יכול גם לתת מדד לעיוותי קרניים כתוצאה, למשל, מעדשתיות תרמית בתוך התווך הפעיל של מגבר לייזר.

יש כמה מגבלות לפרמטר M <sup>2</sup> כערך איכות פשוט. קשה למדוד את הפרמטר במדויק וגורמים כמו רעשי רקע יכולים ליצור טעויות גדולות ב- M<sup>2</sup>.<ref name="Siegman_1997"> Tutorial presentation at the Optical Society of America Annual Meeting, Long Beach, California</ref> לאלומות שעיקר עוצמתן אינו במרכז האלומה אלא בקצותיה יש M<sup>2</sup> גדול הרבה יותר ממה שניתן היה לצפות בתיאוריה. בנוסף, לאלומה אידיאלית שהחתך שלה דמוי מגבעת יש M<sup>2</sup> אינסופי, בעוד שמעשית כל אלומה דמוית מגבעת שניתנת למימוש פיזי אינה מתנהגת כאילו פרמטר ה-M<sup>2</sup> הוא אינסופי. עבור קרן Bessel טהורה, אי אפשר אפילו לחשב את M<sup>2</sup>. <ref></ref>

ההגדרה של "איכות" תלויה גם ביישום. בעוד שקרן גאוסית (M<sup>2</sup> קרוב לאחד) היא מיטבית ליישומים רבים, ליישומים אחרים נדרשת חלוקה אחידה של עוצמה דמוית מגבעת. דוגמה לכך היא ניתוח לייזר. <ref></ref>

הספק בתוך דלי ויחס Strehl הם שני ניסיונות נוספים להגדרת איכות האלומה. בשתי השיטות הללו משתמשים במד חתך אלומת לייזר כדי למדוד כמה הספק או אנרגיה מועברים על פני השטח הנבדק. אין המרה פשוטה בין M<sup>2</sup>, הספק בתוך דלי, ויחס Strehl.
הגדרת M <sup>2</sup>

== הגדרת M<sup>2</sup> ==
המשוואה עבור התבדרות אלומה גאוסיאנית TEM<sub>00</sub> המתקדמת במרחב החופשי ללא מיקוד נתונה ע"י

:(1) <math>\Theta_{00}={4\lambda \over \pi D_{00}}</math>

כאשר D <sub>00</sub> הוא הקוטר של מותן האלומה במקום בו האלומה מקבילה, Θ <sub>00</sub> היא הזווית המלאה של ההתבדרות ו- λ הוא אורך הגל. אלומה מסדר גבוה יותר או אלומה רבת אופנים המכילה מספר סדרים מתחילה ממותן אלומה D <sub>0</sub> וזווית פתיחה מליאה Θ <sub>0</sub> ,וההתבדרות נשלטת על ידי המשוואה הבאה:

:(2) <math>\Theta_0=M^2 {4\lambda \over \pi D_0}</math>

M<sup>2</sup> גדול מ -1 ומכונה " יחס התפשטות אלומה" בתקן ISO 11146.<ref name=":0"></ref> כאשר ממקדים אלומת לייזר גאוסיאנית, קוטר הכתם במוקד נתון על ידי

: (3) <math>d_{00}={4\lambda f \over \pi D_{00}}</math>

כאשר d <sub>00</sub> הוא קוטר האלומה במוקד, f הוא אורך המוקד של עדשת המיקוד, ו- D <sub>00</sub> הוא המותן של אלומת הכניסה המוצב אורך מוקד אחד מהעדשה כפי שמוצג באיור. לעומת זאת, באלומה רבת אופנים מתקיים במוקד

: (4) <math>d_0=M^2 {4\lambda f \over \pi D_0}</math>
:במילים אחרות, אלומה רבת אופנים מתמקדת לכתם במוקד שקוטרו גדול פי M<sup>2</sup> מאשר של אלומה גאוסיאנית. היות ששטח הכתם מתכונתי לריבוע הקוטר, יוצא שהוא מתכונתי ל- M<sup>4</sup> ולכן צפיפות הספק האלומה קטנה פי M<sup>4</sup> . כאשר משתמשים באלומת הלייזר לעיבוד חומרים, לדוגמה, צפיפות ההספק הקובעת את יכולת האלומה לאכל את החומר ומכאן חשיבותו של M<sup>2</sup> .
:לעיתים אלומה מתבדרת באופן שונה בשני כיוונים X ו-Y הניצבים לציר ההתקדמות Z. במקרה כזה, אפשר לדבר על M<sup>2</sup> אחד בכיוון X ועל M<sup>2</sup> שני בכיוון Y.

== מדידת M<sup>2</sup> ==
תקן ISO / DIS 11146<ref name=":0" /> קובע כי כי יש לחשב את M<sup>2</sup> מסדרת מדידות כפי שמוצג באיור שלהלן. M<sup>2</sup> נמדד על אלומות אמיתיות על ידי מיקוד האלומה בעזרת עדשה ומדידת מאפייני מותן האלומה בתלות במרחק. ניתן לבצע מדידות אלה באמצעות מאפיין חתך אלומת לייזר . <ref>G. Langer et al., A webcam in Bayer-mode as a light beam profiler for the near infra-red, Optics and Lasers in Engineering 51 (2013) 571–575</ref> המדידות המרובות מבטיחות שנמצא קוטר האלומה המזערי ומאפשרות "התאמת עקומה" המשפרת את דיוק החישוב על ידי צמצום שגיאת המדידה.
עמדות מדידה להשגת M <sup>2</sup>

==הערות שוליים==

קטגוריה:לייזרים