Принципы фокусировки мощного лазерного излучения

Основным параметром в большинстве технологических приложений лазера является плотность мощности (интенсивность) лазерного луча. Изменения интенсивности связаны с изменениями пространственной ширины луча. Эти изменения возникают вследствие дифракции и фокусировки. Для предсказания эффектов воздействия лазерного излучения нужно знать распределение интенсивности в окрестности точки фокуса и в самой этой точке. Простой расчёт распределения интенсивности в области фокуса возможен только для луча с гауссовым профилем. Это профиль луча лазера, работающего на основной моде TEM₀₀:

I(r) = I₀ exp(–2r²/ω²),

где ω — радиус луча, на котором интенсивность спадает в e² раз (т. е. амплитуда электрического поля — в e раз), I₀ — интенсивность в центре пятна при r = 0.

Минимальный диаметр пятна 2ω₀ обычно расположен внутри резонатора (перетяжка). Постепенно луч расширяется, но гауссово распределение сохраняется на всех расстояниях от перетяжки, даже при фокусировке луча (см. рис. 2)

На рис. 3 показано изменение пространственного распределения интенсивности вследствие расходимости луча.

Простая оценка минимального радиуса пятна r_s при идеальной фокусировке может быть выполнена согласно выражению:

r_s = f · θ,

где f — фокусное расстояние, θ — расходимость луча.

Следующей важной характеристикой сфокусированного излучения является глубина резкости Δ при фокусировке. Она характеризует допустимое изменение расстояния линза — изображение, при котором размеры пятна существенно не изменяются.

а)	б)

Рис. 3. Распределение интенсивности в гауссовом луче:
а) в зависимости от продольной координаты z; б) в сечении луча при z = 0(ω = ω₀) и z > 0(ω > ω₀), θ — угол расходимости