激光光束質(zhì)量M2因子測(cè)量?jī)x

激光光束質(zhì)量及其聚焦能力是激光器的一個(gè)非常重要的特征參數(shù),通常由M2因子表征.測(cè)試一臺(tái)激光器的M2因子,實(shí)質(zhì)上是測(cè)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(jì)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(duì)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(zhǎng).實(shí)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(gè)焦距的長(zhǎng)度的位置上.然而,如果是一個(gè)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(cè)量平面和束腰平面之間的距離;

• zR —瑞利長(zhǎng)度,波前曲率半徑為最小值時(shí)的長(zhǎng)度;

• θ—遠(yuǎn)離束腰的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角;

• R—測(cè)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(cè)量光束質(zhì)量因子M2,將一個(gè)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(duì)該光束的傳播特性進(jìn)行測(cè)量.

光束傳播特性參量的測(cè)量是基于高分辨率光強(qiáng)和波前圖像的實(shí)時(shí)測(cè)量.照相機(jī)CCD接收兩個(gè)輕微散焦的光強(qiáng)分布圖像,利用這兩個(gè)圖像以及他們之間的差異來計(jì)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(jì)算過程.