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波束指向涨落(beam pointing fluctuations)
定义：
激光光束传播方向的涨落。

激光器输出光束的方向存在一定的涨落，有时会造成非常严重的问题，例如需要将光束耦合进单模光纤中时，或者光束精准的射到很远目标上精确的一点上时。因此，定量测量光束指向稳定性是非常重要的。 

目录
  1. 波束指向涨落的物理来源
  2. 波束指向稳定性的量化
  3. 外部光学元件对波束指向稳定性的影响
  4. 波束指向稳定性的优化

波束指向涨落的物理来源 
体激光器中波束指向涨落来自于以下几个方面： 
  1. 机械振动和偏移（热效应引起）会影响光学元件的对准，尤其是激光器谐振腔中的反射镜。因此，谐振腔模式的位置以及输出光束都会受到影响。 
  2. 光束位置也直接受到热效应的影响。尤其是增益介质中的热透镜效应不仅与聚集过程有关，还会引起光束偏移。这在泵浦光束形状不是完全对称的情况下尤其明显，或者泵浦光与谐振腔轴不平行的情况。 
需要注意的是，谐振腔反射镜的倾斜并不能使输出方式产生相等的倾斜。而是会在倾斜的同时还会引起光束在水平方向的偏移。这种影响与整个谐振腔的设计有关。
在线性谐振腔中，未对准灵敏度在两个稳定区域明显不同，甚至在某一区域会发散。不同谐振腔反射镜的对准在灵敏度上也区别很大。这一问题对于优化指向稳定性非常重要。 

波束指向稳定性的量化 
商用激光器的波束指向稳定性都需要量化。然而，这一指标通常不准确。一个更有用的指标是角涨落，需要注意一下一些重要的问题： 
  1. 需要明确，是采用的光束偏离某一参考轴的数字，还是某一角范围的宽度，或者在某一时间间隔内最大的角变化。 
  2. 还需要明确的是，该数值是典型值，绝对值还是平均值。 
  3. 工作条件也需要指出，包括环境温度的稳定性，需要的预热时间，输出功率是恒定还是可变的，等等。 
  4. 另外，时间范围或者频率范围也需要指出。理想情况下，需要指出噪声频率范围，其中较小值对应最大测量时间，较大值则与测量带宽相关。
  5. 具有很小噪声频率的指标还包括长时间漂移。其它情况下，则只关心很快的涨落，选取100Hz到10 kHz的频率范围就是合适的。 
  6. 最后，需要明确该数值适用于哪一个光束，例如，适用于激光器直接得到的光束还是经过准直透镜的光束。这非常重要，因为激光器之外的光学装置通常也会改变波束指向稳定性。 
单独采用角涨落的幅值实际上不能计算波束指向涨落效应，平行光束偏移多大也非常重要，以及偏移与角涨落之间的相干关系。 

外部光学元件对波束指向稳定性的影响 
如果光束通过某些光学装置，通常会改变其复制以及波束指向涨落的类型，即使光学元件是绝对稳定的。下面是两个例子： 
  1. 如果一个准直光束射入聚焦透镜，由于入射光束的角涨落，焦点会产生横向的移动，入射光书的横向偏移会影响聚焦后的光束方向。如果入射光束产生的角偏移与光束发散角相等，焦点在横向偏移的距离等于光束半径。 
  2. 考虑放大倍数为2的望远镜，放置在激光器的准直光束上。输出光束不仅具有两倍的光束半径，同时角向涨落的平均值变为原来的一半。 
这种现象可简单的看做几何结构的问题，例如采用ABCD矩阵代数。 
判断激光器角向光束质量的时候，需要考虑角向涨落的幅值，同时还需要考虑光束半径。也可以将角向涨落与衍射极限的光束发散角对比，即给定尺寸高斯光束的光束发散角。这一光束的半径越大，其发散角越小，指向涨落的影响越大。 
然而，光学元件的振动会进一步增加指向涨落的大小。 

波束指向稳定性的优化 
为了优化波束指向稳定性进行激光器设计时需要考虑一下问题： 
  1. 谐振腔反射镜的机械振动需要采用稳定的装置进行最小化。 
  2. 热效应引起的长时间漂移需要最小。例如，加热组分，例如激光二极管或者电子回路需要与谐振腔光学隔离开来。在高功率激光器中，寄生光束需要避免损伤谐振腔反射镜。 
  3. 需要优化谐振腔设计来使未校准灵敏度最小。在有些情况下，这需要在一些需要的性质上进行权衡，例如高的光束质量。 
采用良好的激光器设计，激光器角向波束指向涨落是光束发散角的几分之一。这表明光束的相位变化在整个范围内小于1rad。 
进一步减小指向涨落可以采用主动稳定机制。可以采用光电二极管来控制光束位置，再通过压电控制反射镜来矫正。 
对于给定激光器，指向涨落也可以通过仔细调节对准最大化输出功率来使指向涨落最小。
 
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