光束質量
O'WB O" 激光束的光束質量是激光束特性的一個重要方面。它可以以不同的方式定義，但通常被理解為在特定條件下(例如有限的光束發(fā)散度)激光束可以聚焦得多緊的度量。量化光束質量最常用的方法是：
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- 光束參數(shù)乘積(BPP)，即束腰處的光束半徑與遠場光束發(fā)散角的乘積。
- M2 因子，定義為光束參數(shù)乘積除以具有相同衍射極限的高斯光束的相應乘積。
BPP 或 M2 因子的低值意味著高光束質量。
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高光束質量意味著平滑的波面(例如，整個光束剖面具有很強的的相位相關性)，這樣，用透鏡聚焦光束就能獲得波面為平面的焦點。擾亂的波面(見圖1)使光束聚焦更加困難，在給定光斑大小的情況下，光束發(fā)散會增大。
fPA5]a9 圖1：光束質量較差的激光束。與理想的高斯光束相比，波陣面有些混亂，這使得光束更難緊密聚焦。
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y$Y*%D^w 在衍射受限的高斯光束中，M2 可以獲得最高的光束質量，其 M2 = 1。許多
激光器都能接近這個值，特別是在單橫向模式下運行的的固態(tài)體激光器(→單模工作)和基于單模
光纖的光纖激光器，還有一些低功率激光二極管(特別是 VCSELs)。
h {5K9$9= !EuqJ j h 另一方面，特別是一些大功率激光器(如固態(tài)體激光器和
半導體激光器，如二極管激光器)的 M2 非常大，可以超過100或者甚至遠高于1000。在固態(tài)激光器中，這通常是由于增益介質中熱引起的波面畸變和/或激光晶體中的有效模式面積和泵浦面積不匹配的結果，而在高功率半導體激光器中，光束質量差的原因則是使用了高度多模波導。在這兩種情況下，光束質量不佳都與高階諧振器模式的激發(fā)有關。
d41DcgG'j( 6F)^8s02h 在衍射受限光束的焦點(束腰)(即光束半徑達到其最小值的位置)，光波面是平坦的。波面的任何擾動，例如，由于質量差的
光學元件、透鏡的球面像差、增益介質中的熱效應、孔徑的衍射或寄生反射，都會影響波面的質量。對于單色光束，原則上可以通過相位掩膜等方法來恢復光束質量，但在實際應用中通常很難做到，即使在畸變是穩(wěn)定的情況下也是如此。一種更靈活的方法是使用自適應光學與波前
傳感器結合使用。
45qSt2 lG>, &( 使用非共振模式清潔器或模式清潔器腔可以在一定程度上改善激光光束的光束質量。然而，但是，這會導致光功率的損失。
h,palP6^ j MAZ4M 激光器的亮度，或者更準確地說，其輻射度，是由其輸出功率和光束質量共同決定的。
X9S` #N ~CRd0T[^ 注意，“光束質量”一詞有時具有定性含義，與上文討論的聚焦性關系不大。在某些應用中，獲得如高斯形狀的平滑的光束強度曲線是至關重要的，而光束發(fā)散則無關緊要。因此，激光光束的“質量”可能無法用例如下面討論的 M2 來表征:一束光束可能具有相對小的 M2 值，但光束形狀多峰，而另一種光束可能具有平滑的光束形狀，但發(fā)散度較高，因此 M2 值較大。
3+uCTn0% w Jr5[p*M 一些激光應用，例如光刻，需要對大面積區(qū)域進行均勻
照明。在這種情況下，“光束質量”可能與本文討論的聚焦性無關。因此，人們甚至可能更喜歡空間和時間相干性較低的光束。
N}/|B} d'okXCG 光束質量的測量
m) - D rbE 根據(jù) ISO 標準11146，光束質量因子 M2 可通過擬合程序計算，擬合程序適用于測量到的光束半徑沿傳播軌跡的演變(所謂的焦散線，見圖2)。為了獲得正確的結果，必須遵守許多規(guī)則，例如，光束半徑的精確定義和數(shù)據(jù)點的放置。
[d3i _^\ FD*) @4<o 圖1:根據(jù)測量的焦散計算光束質量。
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_5 黑色數(shù)據(jù)點是擬合過程中使用的的數(shù)據(jù)點，而灰色數(shù)據(jù)點被忽略。(根據(jù) ISO 標準11146，需要均衡選擇數(shù)據(jù)點，其中一些數(shù)據(jù)點靠近束腰，另一些數(shù)據(jù)點離束腰足夠遠。)
li +MnL t gd,3}@@SH 市面上有一些光束輪廓儀，可以在幾秒鐘內自動進行光束質量測量。它們通常以測量在不同位置的光束輪廓�；诓煌瑴y量原理的光束輪廓儀，例如 CCD 和 CMOS 相機或旋轉刀口或狹縫，在光束半徑和光功率的允許范圍、波長范圍、對偽影的靈敏度等方面有很大差異。例如，狹縫或刀口掃描儀通常可以處理比相機更高的功率，并能精確地處理近似高斯形狀的光束，而基于相機的系統(tǒng)通常更適合復雜的光束形狀。對于功率隨時間變化的光束，例如對于 Q 開關激光器的輸出，其他問題也開始起作用。這時有必要使快門與激光脈沖同步。
*%#Sa~iPo {~y,.[G a 可以使用空間光調制器來代替通過光束移動探測器，以避免任何移動部件。
Y48MCL YR? ujN 另一種測量方法是通過模式匹配的無源光學諧振器或波前傳感器進行傳輸，例如 Shack–Hartmann 波前傳感器。這樣，只需要在單個平面上進行分析，就能全面鑒定激光束的特性。
{: H&2iF .:U`4 ->E 光束質量對應用的重要性
IHs^t/;Iv 高光束質量非常重要，例如當需要對光束進行強聚焦時。在激光材料加工領域，打印、打標、切割和鉆孔通常需要高光束質量，而焊接、錫焊、淬火和各種其他類型的表面處理在這方面的要求較低，因為它們需要處理較大的光斑，因此可以直接使用光束質量相對較差的高功率激光二極管(直接二極管激光器)。
tEbR/? ,GI [vV5@nP: 對于切割和遠程焊接，相對高的光束質量(M2 不大于10)使得可以使用較大的工作距離(即工件和聚焦物鏡之間的較大距離)，這一點非常可取，例如可以保護光學器件免受碎片和煙霧的影響。此外，高光束質量減小了光束傳輸系統(tǒng)中的光束直徑，這樣就可以使用更小且更便宜的光學元件(例如，反射鏡和透鏡)。此外，有效瑞利長度的增加(對于給定的光點尺寸)增加了縱向對準的容差。
Fs} vI~} !VoAN5#; 當泵浦光束在到達激光晶體之前必須通過各種光學器件(例如二向色鏡)時，由高光束質量帶來的大工作距離對于二極管泵浦激光器的設計也是重要的。
hUo}n>Aa V0 O6\) /. 干涉儀、光學數(shù)據(jù)記錄、激光顯微鏡等通常需要與高空間相干性相關的光束質量非常高(接近衍射極限)。
R?E< }\! 鎖模激光器總是必須具有高光束質量，因為激發(fā)較高或較低的橫向模式會干擾脈沖形成過程。
kHhxR;ymA7 GLpl 某些激光器的典型光束質量
