淺析光束質(zhì)量的定義和測量

光束質(zhì)量M2因子是激光光束特性非常重要的一個參數(shù)；激光的光束質(zhì)量與激光的方向性密切相關(guān)，類似于線寬與激光的時間相干性、功率與激光的亮度的相關(guān)性。光束質(zhì)量對激光制造、激光通信、遠程傳能等領(lǐng)域的應(yīng)用效果有至關(guān)重要的影響。中科微精深耕激光微加工行業(yè)多年，其超快激光高品質(zhì)制孔，超精細刻蝕/切割等極端制造技術(shù)，在航空航天、汽車、微電子領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用，公司LOGO創(chuàng)意來源之一即光束質(zhì)量M2因子。

光束質(zhì)量的起源

中國國內(nèi)最早提到光束質(zhì)量的文獻是一篇發(fā)表于1978年的《激光與光電子學進展》，標題為<用非線性光混頻技術(shù)補償光束質(zhì)量的劣化>的文章，相比國外，起步較晚。20世紀90年代起，國際上研究熱潮的興起以及信息技術(shù)的普及應(yīng)用，在這種大環(huán)境下，國內(nèi)科研人員對“光束質(zhì)量”也開始了全面深入的研究，目前基本實現(xiàn)了與國際同步。

前邊提到光束質(zhì)量的概念尚未完全普及，國內(nèi)外各科研機構(gòu)對于光束質(zhì)量的定義不下于20種，定義的合理性和適用性在學術(shù)介也還未達到統(tǒng)一，因為光束質(zhì)量的概念定義起來非常抽象，有一定的難度，是將一個7維空間（3個振幅維度、3個相位維度和1個時間維度，激光的光場信息通常需要用上述7維空間信息方可描述）的信息降維成1個參數(shù)，因此帶來了大量信息損失，相比于激光的功率，線寬等參數(shù)，光束質(zhì)量定義起來要復(fù)雜和困難許多。

光束質(zhì)量定義與標準

當前國際上相對廣泛使用且形成了ISO標準的一個定義，是M2因子，計算方法是實際光束的束寬與發(fā)散角的乘積除以理想光束的束寬與發(fā)散角的乘積，（其中理想光束取基模高斯光束，束寬取二階矩定義），激光光束通過無像差光學系統(tǒng)時，它的M2因子是一個傳輸不變量，且M2≥1；M2偏離1越遠，激光光束質(zhì)量越差。

對于固體激光和半導(dǎo)體激光，光束參數(shù)乘積（Beam Parameters Product，BPP，束腰寬度和遠場發(fā)散角的乘積）也經(jīng)常被用于描述激光的光束質(zhì)量。對基模高斯光束，BPP=λ/π（λ為激光的波長）；實際激光光束的BPP會大于λ/π，BPP值越大，光束質(zhì)量越差。

在國內(nèi)高能激光領(lǐng)域，也有人用β因子描述光束質(zhì)量，β因子的定義為實際激光光束的發(fā)散角與理想光束（一般取為等同口徑的平面波）的發(fā)散角的除值，β的值一般大于1，越接近1表明光束質(zhì)量越好。

目前，我國有兩個正在施行的標準，分別是制造用激光器光束質(zhì)量的評價和測試方法（GB/T 27666-2011）和高能激光光束質(zhì)量評價與測試方法（GB/T 32831-2016）。

光束質(zhì)量的測量

既然光束質(zhì)量那么重要，用什么設(shè)備測量，也是非常重要的課題，能夠按照ISO標準設(shè)置測量程序，輸出激光的M2因子測量值，具有規(guī)范性、通用性和國際可比性的設(shè)備，業(yè)界用得最多的有德國Primes公司的LQM和美國Spiricon公司的M2-200這兩款設(shè)備，但價格昂貴，測量時間也比較長。除了這兩款設(shè)備，也有一些普及度不高的設(shè)備，如基于散焦光柵、空間光調(diào)制器、液體透鏡或采用數(shù)字全息技術(shù)、深度學習技術(shù)等，也可以對激光的M2因子進行測量，具有成本相對較低或者快速測量的優(yōu)勢。具體使用哪種，還得跟據(jù)具體應(yīng)用要求所決定。國內(nèi)院校和科研機構(gòu)，常用的還是前邊提到的兩款設(shè)備。

在使用光束因子時，也有許多的注意事項，以M2因子為例，基模高斯光束的M2因子等于1；實際光束中由于高階模的存在，會使得M2的值偏離1，偏離越遠表明激光光束質(zhì)量越差。有科研人員在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，存在一種特殊情形，在激光光束中的高階模成分達到30%時，M2因子值等于1.08，這容易引起對實際效果的誤判。簡單而言，單模光纖輸出光束的M2因子取值會在1.5到接近1.0之間（具體取決于V值），盡管都是基模光束，但是理論上就不存在M2因子等于1的情形。光束質(zhì)量測量看似是一個簡單的過程，但是對于測量結(jié)果的認知和運用，卻是一項非常有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

即便現(xiàn)在各種高科技的發(fā)展日新月異，但激光光束質(zhì)量的定義和測量，還處于邊應(yīng)用邊研究的階段，要達到統(tǒng)一標準，成熟應(yīng)用，還面臨許多的困難和挑戰(zhàn)！