Der Strahl eines Hochleistungs-Diodenlasers ist partiell kohärent und muss durch eine entsprechende Funktion, zum Beispiel die Wigner-Verteilung, beschrieben werden.
Die Wigner-Verteilung eines Strahls kann experimentell aus den Leistungsdichteprofilen des propagierenden Strahls gewonnen werden. Da diese Methode relativ neu ist, wurde sie anhand der Vermessung eines Helium-Neon-Lasers getestet. Die projizierten Leistungsdichteverteilungen wurden mit einem bewegten Schlitz vermessen. Eine plan-konvexen Linse brachte eine zylindrisch-sphärische Aberration in den Strahl ein. Es wurden Messungen für mehrere Aberrationsstärken durchgeführt. Die aus den gemessenen Wigner-Verteilungen gewonnen Koeffizienten der zylindrisch-sphärischen Aberration wichen weniger als 30 % von den erwarteten Werten ab. Die Koeffizienten der sphärischen Aberrationen, die durch eine rotationssymmetrische Linse aufgebracht wurden, stimmten für große Werte innerhalb eines Bereiches von plus minus 25 % mit den erwarteten Werten überein. Die Koeffizienten kleiner sphärischer Aberrationen wurden durch das Messverfahren stark unterbewertet. Eine Analyse der Fehlerquellen erfolgte. In einem Vergleichsexperiment mit üblichen Shack-Hartmann Sensoren erwies sich die Wigner basierte Ermittlung des Aberrationskoeffizienten als gleichwertig und besser.
Die Propagation eines Gaußstrahls mit einer zylindrisch-sphärischen Aberration wurde numerisch untersucht. Die Simulation zeigt, dass die iterative Berechnung der Strahlabmessung, wie sie in der neuen ISO-Norm vorgeschlagen wird, zu einer Unterschätzung der Beugungsmaßzahl, M², führt. Darüber hinaus wurde eine Gleichung zur Bestimmung des Einflusses der Beugungseigenschaften, den Strahlaberrationen und den Kohärenzeigenschaften des Strahls auf die Beugungsmaßzahl, M², eines beliebigen Strahls entwickelt.
Die Untersuchung des Strahl einer Hochleistungs-Trapezdiode aus dem Bereich der Materialbearbeitung lieferte folgende Ergebnisse: Für Ströme zwischen 1 A und 3 A lag die Beugungsmaßzahl zwischen 1,5 und 3. Die laterale Wigner-Verteilung wurde für 1 A, 1,5 A und 2 A gemessen. Die Analyse der Anteile von Beugung, Strahlaberration und Kohärenz auf die Beugungsmaßzahl ergab, dass bei 1 A der Anteil der Beugung dominiert. Alle Anteile steigen mit dem Strom. Bei 2 A dominiert der Anteil, der mit dem Verlust der Kohärenz assoziiert wird.
The emission of a high-power semiconductor laser is partially coherent, and has to be described by appropriate means, e. g. a Wigner distribution.
The Wigner distribution of a beam can be obtained experimentally from its power density profiles as the beam propagates. As this method is comparatively new, it was tested using a helium neon laser beam. The projected power density profiles were measured with a moving slit system. A cylindrical-spherical aberration was added to the beam using a plano-convex cylindrical lens. Measurements were carried out at different levels of aberration. The coefficients of cylindrical-spherical aberration, reconstructed from the Wigner distribution, deviated less than 30 % from the expected values. The coefficients of spherical aberration obtained from an experiment using a rotationally symmetric plano-convex lens agreed within 25 % of the expected values for high levels of aberration. For small levels of aberration, the aberration coefficients were strongly underestimated. The sources of error in the measurement were analyzed. In an experiment comparing the two methods at a high level of spherical aberration, the Wigner based approach turned out to be at least as good as standard Shack-Hartmann wavefront detectors.
The propagation of a Gaussian beam with a cylindrical-spherical aberration was investigated numerically. The calculations show that the iterative beam width calculation, proposed in the new ISO standard, leads to an underestimation of the M² of a spherically aberrated beam. A formula for the impact of diffraction, aberration, and coherence on the beam propagation ratio, M², of an arbitrary beam was derived.
The output of a tapered semiconductor laser diode, designed for high-power material processing applications, was investigated. The lateral (slow axis) M² value rose from 1.5 to 3 as the current was increased from 1 A to 3 A. The Wigner distributions in the lateral (slow axis) direction at 1 A, 1.5 A, and 2 A were measured. The diffraction, aberration, and coherence related contributions to M², obtained from the Wigner distribution, were analyzed. At 1 A, the diffraction related contribution dominates.All contributions rise as the current is increased. At 2 A, the contribution, related to the reduction of coherence, dominates.