producto de parámetros del haz

En la ciencia láser , el producto de parámetros del haz ( BPP ) es el producto del ángulo de divergencia (semiángulo) de un haz láser y el radio del haz en su punto más estrecho (la cintura del haz ). ^{[ 1 ]} El BPP cuantifica la calidad de un haz láser y su capacidad de enfoque en un punto pequeño.

Un haz gaussiano tiene el BPP más bajo posible,${\displaystyle \lambda /\pi }$, dónde${\displaystyle \lambda }$es la longitud de onda de la luz. ^{[ 1 ]} La relación entre el BPP de un haz real y el de un haz gaussiano ideal a la misma longitud de onda se denota como M ² (" M al cuadrado "). Este parámetro es una medida de la calidad del haz independiente de la longitud de onda.

La ecuación de onda general , asumiendo la aproximación paraxial , resulta en:

${\displaystyle \mathrm {BPP} =\varphi \cdot w_{0}=M^{2}\cdot {\frac {\lambda }{\pi }}}$.

Con:

${\displaystyle \varphi }$el semiángulo en el campo lejano

${\displaystyle w_{0}}$la cintura del haz

${\displaystyle M^{2}}$el factor de calidad del haz, M al cuadrado

${\displaystyle \lambda }$la longitud de onda .

La calidad de un haz es importante para muchas aplicaciones. En comunicaciones por fibra óptica, se requieren haces con un M² ^{cercano a 1 para el acoplamiento a} fibra óptica monomodo . Los talleres de máquinas láser se preocupan mucho por el parámetro M² ^de sus láseres porque los haces se enfocarán en un área que es M⁴ ^veces mayor que la de un haz gaussiano con la misma longitud de onda y ancho de cintura D⁴σ; en otras palabras, la fluencia escala como 1/M⁴ ^. La regla general es que M² ^aumenta a medida que aumenta la potencia del láser. Es difícil obtener una excelente calidad de haz y una alta potencia promedio (100  W a kWs) debido a la lente térmica en el medio de ganancia del láser .

Existen varias formas de definir el ancho de un haz. Al medir el producto de los parámetros del haz y M² ^, se utiliza el ancho D⁴σ o "segundo momento" del haz para determinar tanto el radio de la cintura del haz como la divergencia en el campo lejano. ^{[ 2 ]}

El BPP se puede medir fácilmente colocando un detector de matriz o un perfilador de rendija de escaneo en múltiples posiciones dentro del haz después de enfocarlo con una lente de alta calidad óptica y distancia focal conocida . Para obtener correctamente el BPP y M ² se deben seguir los siguientes pasos: ^{[ 3 ]}

1. Mida los anchos D4σ en 5 posiciones axiales cerca del punto más estrecho del haz (la ubicación donde el haz es más angosto).
2. Mida los anchos D4σ en 5 posiciones axiales a una distancia mínima de una longitud de Rayleigh desde la cintura.
3. Ajustar los 10 puntos de datos medidos a${\displaystyle W^{2}(z)=W_{0}^{2}+M^{4}\left({\frac {\lambda }{\pi W_{0}}}\right)^{2}(z-z_{0})^{2}}$, ^{[ 4 ]} donde${\displaystyle W(z)=2\sigma (z)={\tfrac {1}{2}}{\text{D4}}\sigma (z)}$y${\displaystyle \sigma ^{2}(z)}$es el segundo momento de la distribución en la dirección x o y (véase Diámetro del haz §  D4σ o ancho del segundo momento ), y${\displaystyle z_{0}}$es la ubicación de la cintura de la viga con ancho de segundo momento de${\displaystyle \sigma _{0}}$. Ajustando los 10 puntos de datos se obtiene M ² ,${\displaystyle z_{0}}$, y${\displaystyle \sigma _{0}}$Siegman demostró que todos los perfiles de haz —gaussiano, de cima plana , TEMxy o de cualquier otra forma— deben cumplir la ecuación anterior, siempre que el radio del haz utilice la definición D4σ del ancho del haz. El uso de otras definiciones de ancho del haz no funciona.

En principio, se podría usar una sola medición en la cintura para obtener el diámetro de la cintura, una sola medición en el campo lejano para obtener la divergencia y luego usar estos datos para calcular el BPP. Sin embargo, el procedimiento anterior proporciona un resultado más preciso en la práctica.

Los láseres de alta potencia, como los que se utilizan en la soldadura y el corte láser , se miden normalmente mediante un divisor de haz para muestrear el haz. El haz muestreado tiene una intensidad mucho menor y se puede medir con un perfilómetro de rendija de escaneo o de filo de cuchilla. Una buena calidad del haz es muy importante en las operaciones de soldadura y corte láser. ^{[ 5 ]}

• Etendue
• Lista de artículos sobre láser

• Wang, Zuolan; Drovs, Simon; Segref, Armin; Koenning, Tobias; Pandey, Rajiv (2011). Cálculo del producto de parámetros del haz láser de diodo acoplado a fibra y reglas para el diseño optimizado (PDF) . SPIE Lase. Photonics West. Documento 7918-8. San Francisco, CA, EE. UU.