激光理論告訴我們，根據(jù)設(shè)計(jì)，大多數(shù)激光束應(yīng)具有高斯光束形狀。高斯光束的基模 (TEM 00 ) 是大多數(shù)激光系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員希望實(shí)現(xiàn)的理想模式，主要原因有以下三個(gè)：

1、其光強(qiáng)在光軸上最大，使光功率和光強(qiáng)很好地集中;

2、它的發(fā)散度最低，因此通常被視為不會(huì)變寬的細(xì)光線;

3、它具有衍射極限，這意味著聚焦時(shí)，束腰是該特定波長(zhǎng)可以獲得的最小束腰。

但在現(xiàn)實(shí)生活中，沒(méi)有什么是完美的，具有 TEM 00輪廓和無(wú)限擴(kuò)展的鐘形曲線的純高斯光束從未實(shí)現(xiàn)。在本指南中，我們將向介紹使用 M2 參數(shù)測(cè)量激光束質(zhì)量的概念(該參數(shù)量化激光束質(zhì)量)，以及如何測(cè)量真實(shí)激光器的 M2。

我們?nèi)绾味x激光束質(zhì)量?

第一批激光器是在 60 年代制成的，但直到 90 年代初，才提出了一種標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量方法，用于測(cè)量激光束與理想高斯光束的接近程度，或者換句話說(shuō)，測(cè)量激光束質(zhì)量?；旧?，它歸結(jié)為檢查真實(shí)的光束腰和發(fā)散度與相同波長(zhǎng)的理想高斯光束的比較。

光束參數(shù)積(BPP)是某些人使用的一種激光光束質(zhì)量指標(biāo)，它被定義為光束的最小半徑(束腰半徑，w 0 )與光束發(fā)散半角(θ)的乘積，在遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量。BPP 的測(cè)量單位為 mm-mrad：BPP = θ w 0理想的高斯光束對(duì)于給定波長(zhǎng)具有最小的 BPP。由于我們知道 θ Ideal = λ / (π w 0,ideal )，理想光束的 BPP 簡(jiǎn)化為 BPP Ideal = λ / π。雖然計(jì)算簡(jiǎn)單，但 BPP 并不是比較一種激光器與另一種激光器的最佳工具，因?yàn)樗睦硐胫惦S波長(zhǎng)而變化。西格曼提出的是通過(guò)將真實(shí)激光器的 BPP 與理想激光器的 BPP 相除，使用激光束質(zhì)量的無(wú)量綱值。因此，我們獲得了一個(gè)比率，該比率表明您的激光束與完美高斯光束的接近程度，西格曼將此值稱為 M 2。M 2 = π θ w 0 / λM 2的一大優(yōu)點(diǎn) 是它是無(wú)量綱的(即沒(méi)有測(cè)量單位)，這使得比較不同激光器變得更加簡(jiǎn)單。另一方面，這有點(diǎn)違反直覺(jué)，但較低的 M 2值 比較較高的值表示更好的質(zhì)量。事實(shí)上，最好的結(jié)果是M 2 = 1，并且隨著M 2 值的 增加，激光的質(zhì)量下降。

為什么了解激光器的光束質(zhì)量很重要?

一旦定義了 M 2因子，就可以將其注入廣義高斯光束傳播方程中。當(dāng)知道激光器的 M 2系數(shù)時(shí)，這些方程描述了真實(shí)激光束的傳播方式、聚焦的緊密程度以及發(fā)散的速度。

意思是，它是死星材料還是更多的“我可以用我的激光筆惹惱你”材料。但是，從更實(shí)際的角度來(lái)說(shuō)，當(dāng)當(dāng)前的應(yīng)用是遠(yuǎn)距離成像、制造或摧毀行星時(shí)，緊密聚焦激光束尤其重要。較小的束腰意味著具有更好的分辨率以及達(dá)到更高功率密度的可能性。在光纖系統(tǒng)中，通常的做法是尋找 M 2接近 1 的激光器，以實(shí)現(xiàn)與單模光纖的良好耦合。實(shí)際梁的束腰定義為：

正如在上面的等式中所看到的，具有較低 M 2值的激光束可以比具有高 M 2值的激光聚焦得更緊密。

光束質(zhì)量測(cè)量還可以讓您了解激光束的發(fā)散情況。當(dāng)您知道光束的發(fā)散度時(shí)，您可以預(yù)測(cè)空間中幾乎任何點(diǎn)的激光束的大小。真實(shí)光束的光束半徑定義為：

真實(shí)激光的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散定義為：

在上面的等式中，可以看到具有高 M 2 的激光比具有低 M 2的激光發(fā)散得更快。激光器制造商喜歡在其規(guī)格中提供 M 2系數(shù)，因?yàn)樗層脩袅私馐褂盟麄兊募す馄饔卸嗝慈菀住?/p>

M 2是如何計(jì)算的?

西格曼的提議因其簡(jiǎn)單性而受到歡迎，但在實(shí)驗(yàn)上它并不那么簡(jiǎn)單，并且這些原則產(chǎn)生了一些不確定性。例如，如果想在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)量腰部半徑，如何確保的測(cè)量設(shè)備準(zhǔn)確定位在焦點(diǎn)處?

需要走多遠(yuǎn)才能在遠(yuǎn)場(chǎng)中測(cè)量散度?這兩個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)夠嗎?國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織 (ISO) 的人員決定結(jié)束所有這些混亂，因此他們編寫(xiě)了一個(gè)規(guī)范來(lái)解釋如何正確測(cè)量和計(jì)算 M 2：ISO 11146。ISO 規(guī)范解釋了一種根據(jù)一組光束直徑測(cè)量值計(jì)算 M 2的方法，以最大限度地減少誤差源。主要步驟如下：

1、從準(zhǔn)直光束開(kāi)始

2、使用無(wú)像差鏡頭對(duì)焦

3、測(cè)量焦點(diǎn)周圍不同位置處的光束直徑：至少取 10 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，大約一半在焦點(diǎn)的第一瑞利距離內(nèi)，另一半在 2 瑞利長(zhǎng)度之外。

4、使用范數(shù)中詳細(xì)說(shuō)明的回歸方程將雙曲線擬合到 X 軸和 Y 軸的數(shù)據(jù)點(diǎn)。這通過(guò)最小化測(cè)量誤差來(lái)提高計(jì)算的準(zhǔn)確性。

5、從該擬合中，提取每個(gè)軸的θ、w 0、z R和 M 2的值。

ISO 規(guī)范還規(guī)定了一些有關(guān)直徑測(cè)量的額外規(guī)則(特別是在使用 CCD 或 CMOS 傳感器等陣列傳感器時(shí))：

● 確保直徑內(nèi)至少有 10 個(gè)像素。

● 使用 3 倍直徑的感興趣區(qū)域。

● 使用 D4σ 定義(二階矩寬度)計(jì)算直徑。

● 在進(jìn)行測(cè)量之前，請(qǐng)務(wù)必消除背景噪音。

測(cè)量激光束質(zhì)量需要什么設(shè)備?

在最基本的層面上，所需要的只是一個(gè)鏡頭、一個(gè)光束分析儀和一把尺子。雖然價(jià)格便宜，但這種方法很耗時(shí)，因此激光器需要足夠穩(wěn)定，以便在進(jìn)行各種直徑測(cè)量時(shí)其 M 2值不會(huì)波動(dòng)!提高采集速度的一個(gè)簡(jiǎn)單方法是將光束分析儀安裝在電動(dòng)平移臺(tái)上并自動(dòng)進(jìn)行采集。

請(qǐng)記住，M 2是激光束與理想 TEM 00高斯光束的接近程度的指標(biāo)。如果正在嘗試開(kāi)發(fā)具有非衍射光束(如貝塞爾光束)或具有環(huán)形輪廓的高階高斯光束(或更簡(jiǎn)單地說(shuō)是禮帽光束)的激光器，那么 M 2 并不是應(yīng)該瞄準(zhǔn)的指標(biāo) 。它實(shí)際上沒(méi)有意義，也沒(méi)有多大用處。對(duì)于某些應(yīng)用，僅了解光束發(fā)散度就足夠了，而且更相關(guān)。

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