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.

 היה הראשון שהציע לאפיין את איכותה של אלומת לייזר על ידי פרמטר הניתן למדידה ואינו תלוי באורך הגל, כך שהוא מאפשר השוואה בין אלומות לייזר שונות. הפרמטר נקרא M2 (אם בריבוע), והוא קשור קשר הדוק למונח . בעוד שפרמטר M2 אינו מפרט את המאפיינים המרחביים של האלומה, הוא מודד עד כמה קרובה האלומה להיות קרן גאוסיאנית במצב בסיסי. כמו כן, קובע הפרמטר את גודל האלומה במוקד עבור אלומות פשוטות או רגילות. M2 יכול גם לתת מדד לאברציות כתוצאה, למשל, מעדשתיות תרמית בתוך התווך הפעיל של מגבר לייזר.

יש כמה מגבלות לפרמטר M2 כערך איכות פשוט. קשה למדוד את הפרמטר במדויק וגורמים כמו רעשי רקע יכולים ליצור טעויות גדולות ב־M2. לאלומות שעיקר עוצמתן אינו במרכז האלומה אלא בקצותיה יש M2 גדול הרבה יותר ממה שניתן היה לצפות בתיאוריה. בנוסף, לאלומה אידיאלית שהחתך שלה דמוי מגבעת  יש M2 אינסופי, בעוד שמעשית כל אלומה דמוית מגבעת שניתנת למימוש פיזי אינה מתנהגת כאילו פרמטר ה-M2 הוא אינסופי. עבור  טהורה, אי אפשר אפילו לחשב את M2.

ההגדרה של "איכות" תלויה גם ביישום. בעוד שקרן גאוסית (בעלת M2 קרוב לאחד) היא מיטבית ליישומים רבים, ליישומים אחרים נדרשת חלוקה אחידה של עוצמה דמוית מגבעת. דוגמה לכך היא ניתוח לייזר.

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 M2, הספק בתוך דלי, ויחס Strehl.
שמאל|ממוזער|403x403 פיקסלים| הגדרת M <sup>2</sup>

## הגדרת M<sup>2</sup>
המשוואה עבור התבדרות אלומה גאוסיאנית TEM00 המתקדמת במרחב החופשי ללא מיקוד נתונה ע"י

:(1) \Theta_{00}={4\lambda \over \pi D_{00}}

כאשר *D*00 הוא הקוטר של מותן האלומה במקום בו האלומה מקבילה, *Θ*00 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*0 וזווית פתיחה מלאה *Θ*0 ,וההתבדרות נשלטת על ידי המשוואה הבאה:

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

*M*2 גדול מ -1 ומכונה "**יחס התפשטות אלומה**" בתקן ISO 11146. כאשר ממקדים אלומת לייזר גאוסיאנית, קוטר הכתם במוקד נתון על ידי

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

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

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

## מדידת M<sup>2</sup>
זיגמן ממליץ להימנע מלהתייחס ל-M2 של אלומה אמיתית כמדד לאיכותה ומדגיש כי יש לקרוא לו יחס התפשטות האלומה (beam propagation factor) כיוון שהוא נותן חיזוי ריגורוזי ושימושי של אופן התפשטות האלומה, בחלל חופשי או דרך מערכת אופטית פראקסיאלית.

תקן ISO / DIS 11146 קובע כי יש לחשב את M2 מסדרת מדידות כפי שמוצג באיור שלהלן. M2 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. המדידות המרובות מבטיחות שנמצא קוטר האלומה המזערי ומאפשרות "התאמת עקומה" המשפרת את דיוק החישוב על ידי צמצום שגיאת המדידה.

הגדרת רוחב אלומה על פי מדידת M2 רגישה ביותר לשולי האלומה (tails), רגישות המתווספת על הקושי למדוד במדויק בשולי האלומה בגלל עצמת האור הנמוכה שם.

מרכז|ממוזער|400x400 פיקסלים| עמדות מדידה להשגת M <sup>2</sup>

## לקריאה נוספת
*מדריך ללומד מאת פרופ' זיגמן: 

## הערות שוליים

קטגוריה:לייזרים