Пространственные характеристики лазерного излучения. Часть 2

Московский государственный технический университет 
имени Н.Э. Баумана 
М.В. Таксанц, Л.Н. Майоров 
Пространственные характеристики 
лазерного излучения 
Методические указания к выполнению лабораторных работ 
по курсу «Измерение и контроль параметров лазерного  
излучения» 
Часть 2 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
1 

УДК 621.373.826 
ББК  32.86-5   
        Т15 
 
Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru 
по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/40/book1128.html 
 
Факультет «Машиностроительные технологии» 
Кафедра «Лазерные технологии в машиностроении» 
Рекомендовано  
Редакционно-издательским советом МГТУ им. Н.Э. Баумана 
в качестве методических указаний  
 
 
Рецензент 
канд. техн. наук, доцент А.Е. Смирнов 
 
 Т15 
  Таксанц, М. В. 
      Пространственные характеристики лазерного излучения : методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Измерение и контроль параметров лазерного излучения». —      
Ч. 2  / М. В. Таксанц, Л. Н. Майоров. — Москва : Издательство 
МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2015. — 42, [2] с. : ил. 
ISBN 978-5-7038-4112-9 
Рассмотрены методы измерения и определения пространственных 
характеристик лазерного излучения: распределения плотности энергии 
(мощности) излучения по сечению лазерного пучка и диаметру пучка 
лазерного излучения. 
Для студентов МГТУ им. Н.Э. Баумана, изучающих курс «Измерение и контроль параметров лазерного излучения». 
 
 
УДК 621.373.826 
ББК 32.86-5  
 
 
 
 МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2015 
 Оформление. Издательство  
ISBN 978-5-7038-4112-9                                                МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2015 
2 

Предисловие 
В первой части методических указаний к выполнению лабораторных работ по курсу «Измерение и контроль параметров лазерного 
излучения»  (М.В. Таксанц, Л.Н. Майоров.  Энергетические параметры и характеристики лазерного излучения. М.: Изд-во МГТУ         
им.  Н.Э. Баумана, 2014) были рассмотрены виды и методы измерения энергетических параметров и характеристик лазерного излучения: средней мощности,  энергии импульса, относительной нестабильности мощности непрерывного лазерного излучения, методики 
обработки результатов и расчета неопределенностей измерений.  
Во второй части методических указаний приведены методы 
измерения и определения пространственных характеристик лазерного излучения: распределения плотности энергии (мощности) излучения по сечению лазерного пучка, диаметру пучка лазерного 
излучения. 
В лабораторной работе № 3 исследуется распределение плотности энергии импульса (мощности) в поперечном сечении пучка лазера методами последовательного анализа и варьируемой диафрагмы. 
В лабораторной работе № 4 приводятся методики измерения 
диаметра пучка лазерного излучения с использованием варьируемой диафрагмы, движущегося резкого края (ножа Фуко) и перемещаемой щели. 
Выполнение каждой работы рассчитано на 3−3,5 ч. Работа 
проводится с группой студентов из трех-четырех человек, по результатам выполнения составляется отчет. После выполнения работы проводится ее защита, в ходе которой студенты должны показать понимание физической сущности полученных экспериментальных результатов. 
 
3 

Работа № 3. Исследование распределения плотности 
энергии импульса (мощности) в поперечном сечении  
пучка лазера методом последовательного анализа 
 и методом варьируемой диафрагмы 
Цель работы — изучение методов исследования распределения плотности энергии (мощности) в поперечном сечении пучка 
лазера и методики обработки результатов измерений. 
Краткие теоретические сведения 
К пространственным параметрам и характеристикам лазерного 
излучения относятся: 
1) диаграмма направленности лазерного излучения (угловое 
распределение энергии или мощности лазерного излучения), характеризующая пространственное распределение интенсивности 
излучения;  
2) ось диаграммы направленности (прямая, проходящая через 
максимум углового распределения энергии или мощности лазерного излучения); 
3) нестабильность оси диаграммы направленности (среднее 
квадратическое отклонение оси диаграммы направленности от ее 
среднего положения за определенный интервал времени); 
4) дальняя зона лазерного излучения (область пространства 
вдоль оси лазерного пучка, расположенная на таком расстоянии от 
излучателя лазера, начиная с которого диаграмма направленности 
лазерного излучения остается постоянной). Вблизи излучающей 
апертуры лазера угловое распределение имеет непостоянную конфигурацию, поэтому в большинстве случаев практический интерес 
представляет распределение поля излучения в дальней зоне, когда 
форма распределения перестает зависеть от расстояния и можно говорить о сформировавшейся диаграмме направленности излучения.  
4 

За приближенную оценку границы дальней зоны принимают 
расстояние, превышающее 
2 / ,
d
 где d — диаметр излучающей 
апертуры лазера;  — длина волны излучения. Ширину диаграммы 
направленности в дальней зоне количественно характеризуют углом 
расходимости лазерного излучения, который обычно нормируется 
при производстве лазеров;  
5) расходимость (плоский или телесный угол, характеризующий ширину диаграммы направленности лазерного излучения в 
дальней зоне по заданному уровню углового распределения энергии или по мощности лазерного излучения, определяемому по отношению к его максимальному значению). 
Для задания уровня чаще всего  использовались четыре варианта: 
 два уровня по интенсивности: 0,5 или 
2
1/e = 0,135 (е ≈          
≈  2,718281828   основание натурального логарифма) (может встречаться и уровень  1/e);  
 два уровня по энергии 0,5 или 
2
(1 1/
)
e

= 0,865. 
Расходимость лазерного излучения характеризует излучение 
только одномодового лазера, имеющего диаграмму направленности 
без боковых лепестков, т. е. близкую к гауссовскому распределению. В случае многомодового режима диаграмма излучения имеет 
многочисленные боковые лепестки, содержащие значительную 
часть энергии. Поэтому величина расходимости по заданному уровню энергии или мощности, т. е. по существу центрального максимума распределения, не очень показатальна, если неизвестно угловое распределение энергии или мощности в этом угле. В таких 
случаях более удобной характеристикой является энергетическая 
расходимость лазерного излучения; 
6) энергетическая расходимость (плоский или телесный угол, 
внутри которого распространяется заданная доля энергии или мощности лазерного излучения); 
7) относительное распределение плотности энергии (мощности) (распределение плотности энергии (мощности) излучения по 
сечению лазерного пучка, нормированное относительно максимального значения плотности энергии (мощности)); 
8) диаметр пучка (диаметр поперечного сечения пучка лазерного излучения, внутри которого проходит заданная доля энергии 
5