激光光束質(zhì)量M2因子測(cè)量?jī)x

激光光束質(zhì)量及其聚焦能力是激光器的一個(gè)非常重要的特征參數(shù)，通常由M2因子表征。測(cè)試一臺(tái)激光器的M2因子，實(shí)質(zhì)上是測(cè)試其光斑直徑與發(fā)散角的乘積與理想高斯光束衍射極限的差異。經(jīng)推導(dǎo)，其計(jì)算公式為：M2=(π/4λ)D₀θ;M2，即光束質(zhì)量因子，表示激光束與基模TEM00接近程度的量。該參數(shù)與激光能夠聚焦的最小點(diǎn)尺寸密切相關(guān)。對(duì)于在空間中傳播的光束，未聚焦的基模TEM00高斯光束的發(fā)散角θ₀₀可以表示為： θ₀₀= 4λ/πD₀₀;其中D₀₀是光束束腰直徑，λ為波長(zhǎng)。實(shí)際光束通常含有其它模式，導(dǎo)致更大的束腰D₀，更大的發(fā)散角θ₀，在這種情況下有： θ0 = M2 4λ/πD₀;θ₀和D₀分別為高階模的發(fā)散角和束腰寬度，M2大于1并且依據(jù)ISO11146標(biāo)準(zhǔn)命名為“光束傳播比例”。當(dāng)一束純高斯光束被聚焦后，聚焦點(diǎn)直徑為：d₀₀= 4λf /πD₀₀;其中D₀₀是理想聚焦點(diǎn)直徑，f為透鏡焦距，聚焦點(diǎn)在透鏡后1個(gè)焦距的長(zhǎng)度的位置上。然而，如果是一個(gè)存在畸變的或者多模的光束聚焦后，聚焦點(diǎn)直徑為：d₀₀= M24λf/πD₀

除M2之外，光束傳播特性參數(shù)還包括：

• w₀ = d₀/2—在x軸（水平）和y軸（垂直）方向上的束腰半徑；

• z-z0—測(cè)量平面和束腰平面之間的距離；

• zR —瑞利長(zhǎng)度，波前曲率半徑為最小值時(shí)的長(zhǎng)度；

• θ—遠(yuǎn)離束腰的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角；

• R—測(cè)量平面處的波前曲率半徑；

激光束及通過(guò)聚焦透鏡的光束特性

為了測(cè)量光束質(zhì)量因子M2，將一個(gè)已知焦距的透鏡放在固定位置上，光束通過(guò)它聚焦進(jìn)行一次高斯變換，束腰和發(fā)散角發(fā)生變化，用照相機(jī)可對(duì)該光束的傳播特性進(jìn)行測(cè)量。

光束傳播特性參量的測(cè)量是基于高分辨率光強(qiáng)和波前圖像的實(shí)時(shí)測(cè)量。照相機(jī)CCD接收兩個(gè)輕微散焦的光強(qiáng)分布圖像，利用這兩個(gè)圖像以及他們之間的差異來(lái)計(jì)算波前。由波前特性，可以直接的獲得光束的傳播特征參量，但是需要繁瑣的計(jì)算過(guò)程。

我們的激光光束質(zhì)量測(cè)量?jī)x包括照相機(jī)、聚焦鏡、軟件以及相關(guān)的機(jī)械零部件：

測(cè)量顯示如下：

光斑直徑、發(fā)散角測(cè)量——激光輪廓分析儀

采用激光輪廓分析儀測(cè)試激光橫模內(nèi)的能量分布情況。軟件界面上可顯示能量的一維、二維和三維能量分布情況，以及光斑直徑、發(fā)散角和橢圓度等激光橫模輪廓特征。

軟件中光斑直徑可提供四種計(jì)量方法的測(cè)試結(jié)果，其中最廣泛使用的是以峰值的13.5%(1/e2)為邊界的定義方法；而光斑橢圓度的定義則是最小方向的4 Sigma光斑直徑與最大方向的4 Sigma光斑直徑的比值。

激光發(fā)散角是描述激光發(fā)散度的物理量，激光器的發(fā)散角測(cè)量方法大致可歸結(jié)為測(cè)量近場(chǎng)與遠(yuǎn)場(chǎng)的光斑直徑，通過(guò)計(jì)算兩光斑直徑的差與兩個(gè)位置的距離之間的正切值，可以確定其發(fā)散的角度值，再轉(zhuǎn)換成空間角度值即可。

測(cè)量顯示如下：