激光光束質(zhì)量M2因子測量儀

激光光束質(zhì)量及其聚焦能力是激光器的一個非常重要的特征參數(shù)，通常由M2因子表征。測試一臺激光器的M2因子，實質(zhì)上是測試其光斑直徑與發(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)，其計算公式為：

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。實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個焦距的長度的位置上。然而，如果是一個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—測量平面和束腰平面之間的距離；

• zR —瑞利長度，波前曲率半徑為最小值時的長度；

• θ—遠(yuǎn)離束腰的遠(yuǎn)場發(fā)散角；

• R—測量平面處的波前曲率半徑；

激光束及通過聚焦透鏡的光束特性

為了測量光束質(zhì)量因子M2，將一個已知焦距的透鏡放在固定位置上，光束通過它聚焦進(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)可對該光束的傳播特性進(jìn)行測量。

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

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

測量顯示如下：

光斑直徑、發(fā)散角測量——激光輪廓分析儀

采用激光輪廓分析儀測試激光橫模內(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量方法的測試結(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)散角測量方法大致可歸結(jié)為測量近場與遠(yuǎn)場的光斑直徑，通過計算兩光斑直徑的差與兩個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。

測量顯示如下：