¿Cómo cambia el diámetro de un rayo láser con la distancia?

Abstracto

La colimación se refiere al grado en que un rayo láser permanece paralelo mientras se propaga a lo largo de la distancia. Un rayo colimado ideal tiene bordes perfectamente paralelos y nunca diverge, con un ángulo de divergencia de exactamente 0. Sin embargo, esto es imposible en la realidad y sólo existe en algunas películas de ciencia ficción donde los rayos láser se extienden infinitamente con un diámetro constante. En realidad, los rayos láser inevitablemente divergen y, cuando la distancia al láser es suficientemente grande, su intensidad puede incluso seguir una ley del cuadrado inverso.

I. La ley de la variación del diámetro del haz con la distancia

Para fuentes de luz monocromática coherente como los láseres, el grado de divergencia se ve afectado principalmente por el diámetro del haz (saliente o cintura del haz) y la longitud de onda. En concreto, cuanto más ancho sea el haz, menor será la divergencia; cuanto más corta es la longitud de onda, menor es la divergencia. Los láseres de tamaño corto suelen producir haces con una divergencia más fuerte, principalmente porque el diámetro del haz de estos láseres suele ser más pequeño, en lugar de ser causado directamente por su tamaño. Esta característica surge del límite de difracción de la propagación de ondas y no puede ser superada por elementos ópticos; un haz que sea estrecho y tenga poca divergencia simplemente no existe.

(Consulte el diagrama 'Ángulo de difusión, cintura del haz, longitud de Rayleigh'. Tenga en cuenta que el ángulo de difusión en el diagrama está muy exagerado y la cintura del haz de la mayoría de los láseres comunes en realidad se encuentra dentro de la cavidad resonante o en un espejo determinado).

(I) Fórmula para calcular el ángulo de divergencia

La fórmula para el ángulo de divergencia total (en radianes) de una fuente de onda plana es:

Para calcular el ángulo de divergencia del medio ángulo (como se indica en algunas especificaciones del láser), simplemente divida el resultado por 2. Esta fórmula y la ley del cuadrado inverso de la intensidad de la luz solo se aplican a escenarios donde la distancia desde el láser excede la longitud de Rayleigh (mucho mayor que la cintura del haz) y requieren que se cumplan las condiciones ideales: dado el diámetro del haz (cintura del haz), el ángulo de divergencia del campo lejano no se puede reducir más sin una nueva colimación.

(II) Explicación de los parámetros clave del haz

Cabe señalar que la posición de la fuente puntual efectiva normalmente no coincide con la apertura de salida del láser; de manera similar, el diámetro del haz no se refiere necesariamente al tamaño del punto cuando el haz sale de la cavidad resonante, sino que puede ser el diámetro de la cintura del haz (que puede estar ubicado dentro o fuera de la cavidad resonante). Los componentes ópticos de la cavidad resonante (como la curvatura de los espejos, la curvatura externa del espejo de acoplamiento de salida, etc.) afectarán la cintura del haz.

II. Capacidad de enfoque de los haces

(I) Fórmula básica de enfoque

La fórmula básica para el tamaño del punto limitado por difracción de un haz gaussiano ideal es:

Dado que la 'distancia focal de la lente/diámetro del haz' refleja esencialmente la velocidad convergente del haz y también es el 'número f' del sistema óptico, la fórmula anterior se puede expresar de manera equivalente como:

Para calcular la distancia focal de la lente requerida en función del tamaño del punto objetivo, la fórmula es la siguiente:

(II) Explicación complementaria de la fórmula

Si el valor M⊃2; del haz no es igual a 1 (haz gaussiano en modo fundamental TEM₀₀ no circular), el tamaño del punto final aumentará; si el diámetro del haz está rígidamente limitado por la apertura, 4/π en la fórmula debe reemplazarse por 2,44, y el resultado calculado es el diámetro del punto correspondiente a la primera franja oscura.

(III) Ejemplos de aplicaciones prácticas

Un láser de helio-neón ideal tiene una apertura de 0,5 mm, una longitud de onda de 632,8 nm y un ángulo de divergencia de aproximadamente 1,6 miliradianes. Utilizando una lente con una distancia focal de 25 mm, el tamaño mínimo del punto es de aproximadamente 40,28 micrómetros. Si el haz se expande primero a 10 mm y se colima, y ​​luego se enfoca con la misma lente, el tamaño del punto se puede reducir a un poco más de 4 micrómetros.

III. Especificaciones en milímetros-mRad (mm-mRad)

Algunas especificaciones del láser incluirán un parámetro 'milimetro-mRad (mm-mRad)'. Este parámetro representa el producto del tamaño del haz (en milímetros) en el plano incidente, el plano de campo cercano o la cintura del haz (donde el haz tiene su tamaño más pequeño) y la divergencia angular del campo lejano (en milirradianes). Es importante tener en cuenta que diferentes fabricantes pueden definir el 'tamaño del haz' de manera diferente, incluido el ancho total, el ancho medio, el ancho completo a media altura, el ancho 1/e, el ancho 1/e⊃2;, el ancho de la primera franja oscura, la desviación estándar, el ancho que contiene el 86% de la energía, etc.

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