激光束的光束質(zhì)量是激光束表征的一個重要方面。它可以用不同的方式來定義，但一般理解為如何緊密地一個量度激光束能夠聚焦在某些條件下（例如用在有限的光束發(fā)散）。量化光束質(zhì)量的最常見方法是：

光束參數(shù)乘積（BPP），即光束束腰處的光束半徑與遠(yuǎn)場光束發(fā)散角的乘積

M2因子，定義為光束參數(shù)乘積除以具有相同波長的衍射受限高斯光束的相應(yīng)乘積

BPP或M2因子的低值意味著高光束質(zhì)量。

高光束質(zhì)量意味著平滑的波前（即橫過光束輪廓的強(qiáng)相位相關(guān)性），因此用透鏡聚焦光束允許人們獲得波前為平面的焦點(diǎn)。加擾波前使光束聚焦更加困難，即給定光斑尺寸的光束發(fā)散增加。

光束質(zhì)量差的激光束。與理想的高斯光束相比，波前有些混亂，這使得光束更難以緊密聚焦。

在最高可能的光束質(zhì)量M2為實(shí)現(xiàn)受衍射限制 的高斯光束中，具有M2=1這個值是密切由許多激光器接近，特別是通過固態(tài) 散裝激光器上的單個橫向工作模式（→單模操作）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VCSEL）。另一方面，特別是一些高功率激光器（例如固態(tài)體激光器和半導(dǎo)體激光器，如二極管條) 可以具有超過100甚至遠(yuǎn)高于1000的非常大的M2。在固態(tài)激光器中，這通常是增益介質(zhì)中熱致波前畸變和/或有效模式面積不匹配和激光晶體中的泵浦區(qū)域，而在高功率半導(dǎo)體激光器中，較差的光束質(zhì)量是由于使用高度多模波導(dǎo)而導(dǎo)致的。在這兩種情況下，較差的光束質(zhì)量都與高階 諧振腔模式的激發(fā)有關(guān)。

在衍射受限光束的焦點(diǎn)（束腰）（即，在光束半徑達(dá)到其最小值的位置），光學(xué)波前是平坦的。波前的任何干擾（例如，由于質(zhì)量差的光學(xué)元件、透鏡的球面像差、增益介質(zhì)中的熱效應(yīng)、孔徑衍射或寄生反射）都可能破壞光束質(zhì)量。對于單色光束，原則上可以恢復(fù)光束質(zhì)量，例如使用相位掩模精確補(bǔ)償波前畸變，但這在實(shí)踐中通常很困難，即使在畸變是靜止的情況下也是如此。一種更靈活的方法是將自適應(yīng)光學(xué)與波前傳感器結(jié)合使用。使用非共振模式清潔器或模式清潔器腔在一定程度上可以改善激光束的光束質(zhì)量。然而，這會導(dǎo)致一些光功率損失。激光器的亮度，或者更準(zhǔn)確地說，它的輻射度，是由其輸出功率和光束質(zhì)量共同決定的。

請注意，術(shù)語光束質(zhì)量有時(shí)具有定性含義，這與上面討論聚焦性幾乎沒有關(guān)系。對于某些應(yīng)用，獲得平滑的光束強(qiáng)度分布（例如高斯形狀的光束強(qiáng)度分布）至關(guān)重要，而光束發(fā)散度并不重要。激光束的“質(zhì)量”可能不具有如下所述的M2特征：一個光束可能具有相對較小的M2值，但具有多峰光束輪廓，而另一個光束可能具有平滑的光束形狀，但具有較高的發(fā)散度，因此具有較大的M2值。

一些激光應(yīng)用，如光刻，需要大面積的均勻照明。如果術(shù)語光束質(zhì)量出現(xiàn)在該上下文中，則它可能與本文中討論的可聚焦性無關(guān)。人們甚至可能更喜歡具有相當(dāng)?shù)偷目臻g和時(shí)間相干性的波束。

光束質(zhì)量的測量

根據(jù)ISO標(biāo)準(zhǔn)11146，光束質(zhì)量因子M2可以通過擬合程序計(jì)算，應(yīng)用于光束半徑沿傳播方向的測量演變（所謂的焦散）。為了獲得正確的結(jié)果，必須遵守許多規(guī)則，例如關(guān)于光束半徑的精確定義和數(shù)據(jù)點(diǎn)的放置。

根據(jù)測得的焦散計(jì)算光束質(zhì)量。黑色數(shù)據(jù)點(diǎn)是用于擬合過程的數(shù)據(jù)點(diǎn)，而灰色點(diǎn)則被忽略。（根據(jù)ISO標(biāo)準(zhǔn)11146，需要平衡選擇數(shù)據(jù)點(diǎn)，其中一些靠近束腰，另一些距離束腰足夠遠(yuǎn)。）

市面上有一些光束分析儀，可以在幾秒鐘內(nèi)自動執(zhí)行光束質(zhì)量測量。它們通?；趯Σ煌恢玫墓馐喞臏y量?；诓煌瑴y量原理的光束輪廓儀，例如CCD和CMOS相機(jī)或旋轉(zhuǎn)刀刃或狹縫，在光束半徑和光功率的允許范圍、波長范圍、對偽影的敏感度等方面差異很大。例如，狹縫或刀口掃描儀通?？梢蕴幚肀认鄼C(jī)更高的功率，并且可以精確地接近高斯形狀光束，而基于相機(jī)的系統(tǒng)通常更適合復(fù)雜的光束形狀。對于功率隨時(shí)間變化的光束，例如對于Q開關(guān)激光器的輸出，其他問題也會產(chǎn)生影響。然后可能需要使快門與激光脈沖同步?？梢允褂每臻g光調(diào)制器來避免任何移動部件而不是通過光束移動探測器。替代測量方法基于通過模式匹配的無源光學(xué)諧振器或波前傳感器的傳輸。激光束的完整特性只需要在單個平面上進(jìn)行分析。

光束質(zhì)量對應(yīng)用的重要性

例如，當(dāng)需要強(qiáng)聚焦光束時(shí)，高光束質(zhì)量可能很重要。在激光材料加工領(lǐng)域，印刷、打標(biāo)、切割和鉆孔通常需要高光束質(zhì)量，而焊接、釬焊、硬化和各種其他類型的表面處理在這方面不太重要，因?yàn)樗鼈兲幚淼墓獍咻^大，因此可以直接應(yīng)用光束質(zhì)量相對較差的高功率激光二極管（直接二極管激光器）。對于切割和遠(yuǎn)程焊接，相對較高的光束質(zhì)量（M2≤10) 可以使用大工作距離（即工件和聚焦物鏡之間的大距離），這是非常需要的，例如為了保護(hù)光學(xué)器件免受碎屑和煙霧的影響。此外，高光束質(zhì)量會降低光束傳輸系統(tǒng)中的光束直徑，從而可以使用更小、更便宜的光學(xué)元件（例如反射鏡和透鏡）。此外，增加的有效瑞利長度（對于給定的光斑尺寸）增加了縱向?qū)?zhǔn)的容差。

當(dāng)泵浦光束在到達(dá)激光晶體之前必須通過各種光學(xué)部件（例如分色鏡）時(shí)，高光束質(zhì)量使大工作距離成為可能，這對于二極管泵浦激光器的設(shè)計(jì)也很重要。干涉儀、光學(xué)數(shù)據(jù)記錄、激光顯微鏡等通常需要非常高（接近衍射極限）的光束質(zhì)量，以及高空間相干性。鎖模激光器必須始終具有高光束質(zhì)量，因?yàn)楦唠A橫模的激發(fā)會干擾脈沖形成過程。

某些激光器的典型光束質(zhì)量

一般來說，光束質(zhì)量不是由激光器的類型決定的，但有一些典型的趨勢：

大多數(shù)低功率二極管泵浦 固態(tài)激光器表現(xiàn)出高（接近衍射極限）光束質(zhì)量。

這同樣適用于各種氣體激光器，例如氦氖激光器和CO2激光器。

一些高功率 固態(tài)激光器的光束質(zhì)量較差，主要是因?yàn)榧す饩w中的強(qiáng)烈熱效應(yīng)會導(dǎo)致光束失真。此外，在高光束質(zhì)量和高功率效率或高光束質(zhì)量和低對準(zhǔn)靈敏度之間可能存在設(shè)計(jì)權(quán)衡。

低功率激光二極管通常具有較高的光束質(zhì)量，而高功率激光二極管基本上總是具有較差的光束質(zhì)量。本質(zhì)上，這是因?yàn)楦吖β市枰蟮陌l(fā)射孔徑，這使得所使用的波導(dǎo)高度多模。（數(shù)值孔徑不能大幅降低。）

優(yōu)化激光束質(zhì)量

從固態(tài)體激光器獲得高光束質(zhì)量的關(guān)鍵因素是：

優(yōu)化的諧振器設(shè)計(jì)，具有合適的模式面積（特別是在增益介質(zhì)中）和對熱透鏡的低敏感性

良好的諧振器對準(zhǔn)

最小化的熱效應(yīng)，尤其是從熱透鏡中的增益介質(zhì)

高質(zhì)量的光學(xué)元件（特別是關(guān)于增益介質(zhì)）

優(yōu)化的泵浦強(qiáng)度分布（有時(shí)需要具有良好光束質(zhì)量的泵浦源）——端泵浦比側(cè)泵浦更容易實(shí)現(xiàn)

非線性光學(xué)中的光束質(zhì)量

光束質(zhì)量不僅是激光器的問題，也是非線性頻率轉(zhuǎn)換的問題。而熱透鏡在非線性晶體的材料僅在非常高的平均功率電平（因?yàn)橹挥型ㄟ^寄生吸收發(fā)生弱加熱）發(fā)生時(shí)，光束質(zhì)量可受到其他效果：

空間走離可以在空間上移動相互作用的光束，使重疊變?nèi)?，相互作用在空間上變得不對稱。

對于強(qiáng)轉(zhuǎn)換，例如在倍頻器或光學(xué)參量放大器中，在光束軸附近可能存在泵浦光束的強(qiáng)烈耗盡甚至反向轉(zhuǎn)換，在極端情況下會導(dǎo)致明顯的環(huán)形結(jié)構(gòu)。增益引導(dǎo)會使此類問題更加嚴(yán)重。光束質(zhì)量問題已被證明會限制高增益非線性頻率轉(zhuǎn)換設(shè)備的功率可擴(kuò)展性。

對于超短脈沖，群速度失配和其他效應(yīng)甚至?xí)?dǎo)致與時(shí)間相關(guān)的光束質(zhì)量。

此外，在非線性頻率轉(zhuǎn)換設(shè)備中使用光束質(zhì)量較差的激光束會顯著破壞轉(zhuǎn)換效率。

可以使用數(shù)值計(jì)算機(jī)模型研究非線性光學(xué)中的光束質(zhì)量效應(yīng)，該模型可以模擬所涉及光束的空間（也可能是時(shí)間）輪廓的演變。

Femto Easy BeamPro光束輪廓儀

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BeamProCompact光束輪廓儀厚度僅為12.5毫米，適用于190至1100nm的波長和大至12mm的光束。還有用于聚焦光束測量的像素小至1.67μm 的高分辨率型號，因此，它可以輕松集成到大多數(shù)復(fù)雜環(huán)境中。

BEAMPROONE-INCH光束輪廓儀采用大傳感器尺寸，是具有最大可用測量區(qū)域的特殊型號，能夠測量直徑達(dá)25毫米的光束。

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