激光束的光束質量是激光束表征的一個(ge) 重要方麵。它可以用不同的方式來定義(yi) ，但一般理解為(wei) 如何緊密地一個(ge) 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散）。量化光束質量的最常見方法是：

光束參數乘積（BPP），即光束束腰處的光束半徑與(yu) 遠場光束發散角的乘積

M2因子，定義(yi) 為(wei) 光束參數乘積除以具有相同波長的衍射受限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。

高光束質量意味著平滑的波前（即橫過光束輪廓的強相位相關(guan) 性），因此用透鏡聚焦光束允許人們(men) 獲得波前為(wei) 平麵的焦點。加擾波前使光束聚焦更加困難，即給定光斑尺寸的光束發散增加。

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

在最高可能的光束質量M2為(wei) 實現受衍射限製 的高斯光束中，具有M2=1這個(ge) 值是密切由許多激光器接近，特別是通過固態 散裝激光器上的單個(ge) 橫向工作模式（→單模操作）和基於(yu) 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）。另一方麵，特別是一些高功率激光器（例如固態體(ti) 激光器和半導體(ti) 激光器，如二極管條) 可以具有超過100甚至遠高於(yu) 1000的非常大的M2。在固態激光器中，這通常是增益介質中熱致波前畸變和/或有效模式麵積不匹配和激光晶體(ti) 中的泵浦區域，而在高功率半導體(ti) 激光器中，較差的光束質量是由於(yu) 使用高度多模波導而導致的。在這兩(liang) 種情況下，較差的光束質量都與(yu) 高階 諧振腔模式的激發有關(guan) 。

在衍射受限光束的焦點（束腰）（即，在光束半徑達到其最小值的位置），光學波前是平坦的。波前的任何幹擾（例如，由於(yu) 質量差的光學元件、透鏡的球麵像差、增益介質中的熱效應、孔徑衍射或寄生反射）都可能破壞光束質量。對於(yu) 單色光束，原則上可以恢複光束質量，例如使用相位掩模精確補償(chang) 波前畸變，但這在實踐中通常很困難，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光學與(yu) 波前傳(chuan) 感器結合使用。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量。然而，這會(hui) 導致一些光功率損失。激光器的亮度，或者更準確地說，它的輻射度，是由其輸出功率和光束質量共同決(jue) 定的。

請注意，術語光束質量有時具有定性含義(yi) ，這與(yu) 上麵討論聚焦性幾乎沒有關(guan) 係。對於(yu) 某些應用，獲得平滑的光束強度分布（例如高斯形狀的光束強度分布）至關(guan) 重要，而光束發散度並不重要。激光束的“質量”可能不具有如下所述的M2特征：一個(ge) 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(ge) 光束可能具有平滑的光束形狀，但具有較高的發散度，因此具有較大的M2值。

一些激光應用，如光刻，需要大麵積的均勻照明。如果術語光束質量出現在該上下文中，則它可能與(yu) 本文中討論的可聚焦性無關(guan) 。人們(men) 甚至可能更喜歡具有相當低的空間和時間相幹性的波束。

光束質量的測量

根據ISO標準11146，光束質量因子M2可以通過擬合程序計算，應用於(yu) 光束半徑沿傳(chuan) 播方向的測量演變（所謂的焦散）。為(wei) 了獲得正確的結果，必須遵守許多規則，例如關(guan) 於(yu) 光束半徑的精確定義(yi) 和數據點的放置。

根據測得的焦散計算光束質量。黑色數據點是用於(yu) 擬合過程的數據點，而灰色點則被忽略。（根據ISO標準11146，需要平衡選擇數據點，其中一些靠近束腰，另一些距離束腰足夠遠。）

市麵上有一些光束分析儀(yi) ，可以在幾秒鍾內(nei) 自動執行光束質量測量。它們(men) 通常基於(yu) 對不同位置的光束輪廓的測量。基於(yu) 不同測量原理的光束輪廓儀(yi) ，例如CCD和CMOS相機或旋轉刀刃或狹縫，在光束半徑和光功率的允許範圍、波長範圍、對偽(wei) 影的敏感度等方麵差異很大。例如，狹縫或刀口掃描儀(yi) 通常可以處理比相機更高的功率，並且可以精確地接近高斯形狀光束，而基於(yu) 相機的係統通常更適合複雜的光束形狀。對於(yu) 功率隨時間變化的光束，例如對於(yu) Q開關(guan) 激光器的輸出，其他問題也會(hui) 產(chan) 生影響。然後可能需要使快門與(yu) 激光脈衝(chong) 同步。可以使用空間光調製器來避免任何移動部件而不是通過光束移動探測器。替代測量方法基於(yu) 通過模式匹配的無源光學諧振器或波前傳(chuan) 感器的傳(chuan) 輸。激光束的完整特性隻需要在單個(ge) 平麵上進行分析。

光束質量對應用的重要性

例如，當需要強聚焦光束時，高光束質量可能很重要。在激光材料加工領域，印刷、打標、切割和鑽孔通常需要高光束質量，而焊接、釺焊、硬化和各種其他類型的表麵處理在這方麵不太重要，因為(wei) 它們(men) 處理的光斑較大，因此可以直接應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）。對於(yu) 切割和遠程焊接，相對較高的光束質量（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(wei) 了保護光學器件免受碎屑和煙霧的影響。此外，高光束質量會(hui) 降低光束傳(chuan) 輸係統中的光束直徑，從(cong) 而可以使用更小、更便宜的光學元件（例如反射鏡和透鏡）。此外，增加的有效瑞利長度（對於(yu) 給定的光斑尺寸）增加了縱向對準的容差。

當泵浦光束在到達激光晶體(ti) 之前必須通過各種光學部件（例如分色鏡）時，高光束質量使大工作距離成為(wei) 可能，這對於(yu) 二極管泵浦激光器的設計也很重要。幹涉儀(yi) 、光學數據記錄、激光顯微鏡等通常需要非常高（接近衍射極限）的光束質量，以及高空間相幹性。鎖模激光器必須始終具有高光束質量，因為(wei) 高階橫模的激發會(hui) 幹擾脈衝(chong) 形成過程。

某些激光器的典型光束質量

一般來說，光束質量不是由激光器的類型決(jue) 定的，但有一些典型的趨勢：

大多數低功率二極管泵浦 固態激光器表現出高（接近衍射極限）光束質量。

這同樣適用於(yu) 各種氣體(ti) 激光器，例如氦氖激光器和CO2激光器。

一些高功率 固態激光器的光束質量較差，主要是因為(wei) 激光晶體(ti) 中的強烈熱效應會(hui) 導致光束失真。此外，在高光束質量和高功率效率或高光束質量和低對準靈敏度之間可能存在設計權衡。

低功率激光二極管通常具有較高的光束質量，而高功率激光二極管基本上總是具有較差的光束質量。本質上，這是因為(wei) 高功率需要大的發射孔徑，這使得所使用的波導高度多模。（數值孔徑不能大幅降低。）

優(you) 化激光束質量

從(cong) 固態體(ti) 激光器獲得高光束質量的關(guan) 鍵因素是：

優(you) 化的諧振器設計，具有合適的模式麵積（特別是在增益介質中）和對熱透鏡的低敏感性

良好的諧振器對準

最小化的熱效應，尤其是從(cong) 熱透鏡中的增益介質

高質量的光學元件（特別是關(guan) 於(yu) 增益介質）

優(you) 化的泵浦強度分布（有時需要具有良好光束質量的泵浦源）——端泵浦比側(ce) 泵浦更容易實現

非線性光學中的光束質量

光束質量不僅(jin) 是激光器的問題，也是非線性頻率轉換的問題。而熱透鏡在非線性晶體(ti) 的材料僅(jin) 在非常高的平均功率電平（因為(wei) 隻有通過寄生吸收發生弱加熱）發生時，光束質量可受到其他效果：

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

對於(yu) 強轉換，例如在倍頻器或光學參量放大器中，在光束軸附近可能存在泵浦光束的強烈耗盡甚至反向轉換，在極端情況下會(hui) 導致明顯的環形結構。增益引導會(hui) 使此類問題更加嚴(yan) 重。光束質量問題已被證明會(hui) 限製高增益非線性頻率轉換設備的功率可擴展性。

對於(yu) 超短脈衝(chong) ，群速度失配和其他效應甚至會(hui) 導致與(yu) 時間相關(guan) 的光束質量。

此外，在非線性頻率轉換設備中使用光束質量較差的激光束會(hui) 顯著破壞轉換效率。

可以使用數值計算機模型研究非線性光學中的光束質量效應，該模型可以模擬所涉及光束的空間（也可能是時間）輪廓的演變。

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