RP 系列激光分析设计软件 | 光束质量

光束质量

激光束的光束质量是激光束特性的一个重要方面。它可以以不同的方式定义，但通常被理解为在特定条件下(例如有限的光束发散度)激光束可以聚焦得多紧的度量。量化光束质量最常用的方法是：

光束参数乘积(BPP)，即束腰处的光束半径与远场光束发散角的乘积。
M2 因子，定义为光束参数乘积除以具有相同衍射极限的高斯光束的相应乘积。
BPP 或 M2 因子的低值意味着高光束质量。

高光束质量意味着平滑的波面(例如，整个光束剖面具有很强的的相位相关性)，这样，用透镜聚焦光束就能获得波面为平面的焦点。扰乱的波面(见图1)使光束聚焦更加困难，在给定光斑大小的情况下，光束发散会增大。

图1：光束质量较差的激光束。与理想的高斯光束相比，波阵面有些混乱，这使得光束更难紧密聚焦。

在衍射受限的高斯光束中，M2 可以获得最高的光束质量，其 M2 = 1。许多激光器都能接近这个值，特别是在单横向模式下运行的的固态体激光器(→单模工作)和基于单模光纤的光纤激光器，还有一些低功率激光二极管(特别是 VCSELs)。

另一方面，特别是一些大功率激光器(如固态体激光器和半导体激光器，如二极管激光器)的 M2 非常大，可以超过100或者甚至远高于1000。在固态激光器中，这通常是由于增益介质中热引起的波面畸变和/或激光晶体中的有效模式面积和泵浦面积不匹配的结果，而在高功率半导体激光器中，光束质量差的原因则是使用了高度多模波导。在这两种情况下，光束质量不佳都与高阶谐振器模式的激发有关。

在衍射受限光束的焦点(束腰)(即光束半径达到其最小值的位置)，光波面是平坦的。波面的任何扰动，例如，由于质量差的光学元件、透镜的球面像差、增益介质中的热效应、孔径的衍射或寄生反射，都会影响波面的质量。对于单色光束，原则上可以通过相位掩膜等方法来恢复光束质量，但在实际应用中通常很难做到，即使在畸变是稳定的情况下也是如此。一种更灵活的方法是使用自适应光学与波前传感器结合使用。

使用非共振模式清洁器或模式清洁器腔可以在一定程度上改善激光光束的光束质量。然而，但是，这会导致光功率的损失。

激光器的亮度，或者更准确地说，其辐射度，是由其输出功率和光束质量共同决定的。

注意，“光束质量”一词有时具有定性含义，与上文讨论的聚焦性关系不大。在某些应用中，获得如高斯形状的平滑的光束强度曲线是至关重要的，而光束发散则无关紧要。因此，激光光束的“质量”可能无法用例如下面讨论的 M2 来表征:一束光束可能具有相对小的 M2 值，但光束形状多峰，而另一种光束可能具有平滑的光束形状，但发散度较高，因此 M2 值较大。

一些激光应用，例如光刻，需要对大面积区域进行均匀照明。在这种情况下，“光束质量”可能与本文讨论的聚焦性无关。因此，人们甚至可能更喜欢空间和时间相干性较低的光束。

光束质量的测量

根据 ISO 标准11146，光束质量因子 M2 可通过拟合程序计算，拟合程序适用于测量到的光束半径沿传播轨迹的演变(所谓的焦散线，见图2)。为了获得正确的结果，必须遵守许多规则，例如，光束半径的精确定义和数据点的放置。

图1:根据测量的焦散计算光束质量。

黑色数据点是拟合过程中使用的的数据点，而灰色数据点被忽略。(根据 ISO 标准11146，需要均衡选择数据点，其中一些数据点靠近束腰，另一些数据点离束腰足够远。)

市面上有一些光束轮廓仪，可以在几秒钟内自动进行光束质量测量。它们通常以测量在不同位置的光束轮廓。基于不同测量原理的光束轮廓仪，例如 CCD 和 CMOS 相机或旋转刀口或狭缝，在光束半径和光功率的允许范围、波长范围、对伪影的灵敏度等方面有很大差异。例如，狭缝或刀口扫描仪通常可以处理比相机更高的功率，并能精确地处理近似高斯形状的光束，而基于相机的系统通常更适合复杂的光束形状。对于功率随时间变化的光束，例如对于 Q 开关激光器的输出，其他问题也开始起作用。这时有必要使快门与激光脉冲同步。

可以使用空间光调制器来代替通过光束移动探测器，以避免任何移动部件。

另一种测量方法是通过模式匹配的无源光学谐振器或波前传感器进行传输，例如 Shack–Hartmann 波前传感器。这样，只需要在单个平面上进行分析，就能全面鉴定激光束的特性。

光束质量对应用的重要性

高光束质量非常重要，例如当需要对光束进行强聚焦时。在激光材料加工领域，打印、打标、切割和钻孔通常需要高光束质量，而焊接、锡焊、淬火和各种其他类型的表面处理在这方面的要求较低，因为它们需要处理较大的光斑，因此可以直接使用光束质量相对较差的高功率激光二极管(直接二极管激光器)。

对于切割和远程焊接，相对高的光束质量(M2 不大于10)使得可以使用较大的工作距离(即工件和聚焦物镜之间的较大距离)，这一点非常可取，例如可以保护光学器件免受碎片和烟雾的影响。此外，高光束质量减小了光束传输系统中的光束直径，这样就可以使用更小且更便宜的光学元件(例如，反射镜和透镜)。此外，有效瑞利长度的增加(对于给定的光点尺寸)增加了纵向对准的容差。

当泵浦光束在到达激光晶体之前必须通过各种光学器件(例如二向色镜)时，由高光束质量带来的大工作距离对于二极管泵浦激光器的设计也是重要的。

干涉仪、光学数据记录、激光显微镜等通常需要与高空间相干性相关的光束质量非常高(接近衍射极限)。

锁模激光器总是必须具有高光束质量，因为激发较高或较低的横向模式会干扰脉冲形成过程。

某些激光器的典型光束质量

一般来说，光束质量并不是由激光器的类型决定的，但有一些典型的趋势:

大多数低功率二极管泵浦固态激光器的光束质量较高(接近衍射极限)。
这同样适用于各种气体激光器，例如氦-氖激光器和二氧化碳激光器。
一些大功率固态激光器的光束质量较差，主要是因为激光晶体中的强热效应导致光束失真。此外，在高光束质量和高功率效率之间，或者在高光束质量和低对准灵敏度之间，可能存在权衡，和对准灵敏度之间的权衡。
 低功率激光二极管通常具有相当高的光束质量，而高功率激光二极管基本上总是具有较低的光束质量。本质上，这是因为高功率需要大的发射孔径，这就使得所使用的波导具有高度的多模性。(数值孔径不能大幅缩小。)

优化激光束质量

从固态体激光器获得高光束质量的关键因素是:

优化的谐振器设计，具有合适的模式面积(特别是在增益介质中)和对热透镜的敏感度低。 
谐振器对准良好。
最小化热效应，尤其是增益介质中的热透镜效应。
高质量光学元件(特别是增益介质)。
优化的泵浦强度分布(有时需要具有良好光束质量的泵浦源)——使用端面泵浦比使用侧面泵浦更容易实现。

非线性光学中的光束质量

光束质量不仅是激光器的问题，也是非线性频率转换的问题。虽然非线性晶体材料中的热透镜现象只发生在非常高的平均功率水平下(因为加热只通过弱寄生吸收发生)，但光束质量会受到其他效应的影响:

空间离散可以在空间上分割相互作用的光束，从而使得重合度变弱，使相互作用在空间上变得不对称。
对于强转换，例如在倍频器或光学参量放大器中，在光束轴附近，泵浦光束可能会出现强烈的损耗，甚至出现反向转换，在极端情况下，会导致明显的环形结构。增益引导会使这些问题更加严重。
光束质量问题已被证明会限制高增益非线性频率转换设备的功率可扩展性。
对于超短脉冲，群速度失配和其他效应甚至会导致随时间变化的光束质量。
此外，在非线性频率转换装置中使用光束质量较差的激光束会大大降低转换效率。

非线性光学中的光束质量效应可以通过数值计算机模型进行研究，该模型可以模拟相关光束的空间(可能还有时间)轮廓的演变。