激光光束質量M2因子測量儀

激光光束質量及其聚焦能力是激光器的一個非常重要的特征參數，通常由M2因子表征。測試一臺激光器的M2因子，實質上是測試其光斑直徑與發散角的乘積與理想高斯光束衍射極限的差異。經推導，其計算公式為：M2=(π/4λ)D₀θ;M2，即光束質量因子，表示激光束與基模TEM00接近程度的量。該參數與激光能夠聚焦的最小點尺寸密切相關。對于在空間中傳播的光束，未聚焦的基模TEM00高斯光束的發散角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，導致更大的束腰D₀，更大的發散角θ₀，在這種情況下有： θ0 = M2 4λ/πD₀;θ₀和D₀分別為高階模的發散角和束腰寬度，M2大于1并且依據ISO11146標準命名為“光束傳播比例”。當一束純高斯光束被聚焦后，聚焦點直徑為：d₀₀= 4λf /πD₀₀;其中D₀₀是理想聚焦點直徑，f為透鏡焦距，聚焦點在透鏡后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，聚焦點直徑為：d₀₀= M24λf/πD₀

除M2之外，光束傳播特性參數還包括：

• 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—遠離束腰的遠場發散角；

• 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，光束通過它聚焦進行一次高斯變換，束腰和發散角發生變化，用照相機可對該光束的傳播特性進行測量。

光束傳播特性參量的測量是基于高分辨率光強和波前圖像的實時測量。照相機CCD接收兩個輕微散焦的光強分布圖像，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。

我們的激光光束質量測量儀包括照相機、聚焦鏡、軟件以及相關的機械零部件：

測量顯示如下：

光斑直徑、發散角測量——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。

激光發散角是描述激光發散度的物理量，激光器的發散角測量方法大致可歸結為測量近場與遠場的光斑直徑，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，可以確定其發散的角度值，再轉換成空間角度值即可。

測量顯示如下：