M al cuadrado

En la ciencia láser , el parámetro M ² , también conocido como relación de propagación del haz o factor de calidad del haz , es una medida de la calidad del haz láser . Representa el grado de variación de un haz con respecto a un haz gaussiano ideal . ^[1] Se calcula a partir de la relación entre el producto de parámetros del haz (BPP) del haz y el de un haz gaussiano con la misma longitud de onda . Relaciona la divergencia del haz de un haz láser con el tamaño mínimo de punto enfocado que se puede lograr. Para un haz láser monomodo TEM ₀₀ (gaussiano), M ² es exactamente uno. A diferencia del producto de parámetros del haz, M ² no tiene unidad y no varía con la longitud de onda.

El valor M ² de un rayo láser se utiliza ampliamente en la industria del láser como especificación, y su método de medición está regulado como estándar ISO. ^[2]

Existen varias formas de definir el ancho de un haz. Al medir el producto de los parámetros del haz y M ² , se utiliza el ancho del haz D4σ o "segundo momento" para determinar tanto el radio de la cintura del haz como la divergencia en el campo lejano. ^[1]

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

1. Mida los anchos D4σ en 5 posiciones axiales cerca de la cintura de la viga (la ubicación donde la viga es más angosta).
2. Mida los anchos D4σ en 5 posiciones axiales al menos a una longitud de Rayleigh de la cintura.
3. Ajuste los 10 puntos de datos medidos a donde es la mitad del ancho de la viga, y es la ubicación de la cintura de la viga con ancho . ^[4] Ajustar los 10 puntos de datos produce M ² , , y . Siegman demostró que todos los perfiles de viga (gaussiano, de parte superior plana , TEMxy o de cualquier forma) deben seguir la ecuación anterior siempre que el radio de la viga use la definición D4σ del ancho de la viga. ^[1] Usar otras definiciones de ancho de viga no funciona.$${\displaystyle W^{2}(z)=W_{0}^{2}+M^{4}\left({\frac {\lambda }{\pi W_{0}}}\right)^{ 2}(z-z_{0})^{2},}$$${\estilo de visualización W(z)}$${\displaystyle {\text{D4}}\sigma (z)}$$estilo de visualización z_{0}}$$Estilo de visualización W_{0}$$estilo de visualización z_{0}}$$Estilo de visualización W_{0}$

En principio, se podría utilizar una única medición en la cintura para obtener el diámetro de la cintura, una única medición en el campo lejano para obtener la divergencia y luego utilizar estas para calcular M ² . Sin embargo, el procedimiento anterior proporciona un resultado más preciso en la práctica.

M ² es útil porque refleja qué tan bien se puede enfocar un haz láser colimado a un punto pequeño, o qué tan bien se puede colimar una fuente láser divergente. Es una mejor guía para la calidad del haz que la apariencia gaussiana porque hay muchos casos en los que un haz puede parecer gaussiano, pero tener un valor M ^{2 lejos de la unidad. [1]} De la misma manera, un perfil de intensidad del haz puede parecer muy "no gaussiano", pero tener un valor M ² cercano a la unidad.

La calidad de un haz es importante para muchas aplicaciones. En las comunicaciones por fibra óptica, se requieren haces con un M2 ^{cercano a 1 para el acoplamiento a} la fibra óptica monomodo .

M ² determina qué tan estrechamente se puede enfocar un haz colimado de un diámetro dado: el diámetro del punto focal varía como M ² y la irradiancia escala como 1/M ⁴ . Para una cavidad láser dada , el diámetro del haz de salida (colimado o enfocado) escala como M y la irradiancia como 1/M ² . Esto es muy importante en el mecanizado láser y la soldadura láser , que dependen de una alta fluencia en la ubicación de la soldadura.

En general, M2 ^aumenta a medida que aumenta la potencia de salida del láser. Es difícil obtener una excelente calidad del haz y una alta potencia promedio al mismo tiempo debido al efecto de lente térmica en el medio de ganancia del láser .

Los rayos láser reales suelen ser no gaussianos, ya que son multimodo o mixtos. La propagación de rayos multimodo suele modelarse considerando un gaussiano "incrustado", cuya cintura de rayo es M veces menor que la del rayo multimodo. El diámetro del rayo multimodo es entonces M veces el del rayo gaussiano incrustado en todas partes, y la divergencia es M veces mayor, pero la curvatura del frente de onda es la misma. El rayo multimodo tiene M ² veces el área del rayo pero 1/M ² menos de intensidad del rayo que el rayo incrustado. Esto es válido para cualquier sistema óptico dado y, por lo tanto, el tamaño mínimo del punto (enfocado) o cintura de rayo de un rayo láser multimodo es M veces la cintura del rayo gaussiano incrustado.

• Perfilador de haz láser
• Relación de Strehl