激光束的质量是激光束特征的重要方面。 这可以用多种方法定义，但一般被理解为如何严格测量的激光束能够聚焦于特定的条件(例如用于有限的光束发散)。 量化波束质量的最常见方法是：

波束参数积(BPP )是波束腰处的波束半径和远场波束发散角的积

M2因子定义为光束参数积除以具有相同波长的衍射限制的高斯光束的对应积而得到的值

BPP或M2因子的低值意味着高波束质量。

光束的质量高意味着平滑的波面，即横穿光束轮廓的强相位依赖性，因此通过透镜将光束聚光，可以得到波面为平面的焦点。 通过扰乱波前，光束的焦点变得更加困难。 也就是说，特定光点尺寸的光束发散增加。

光束质量差的激光束。 与理想的高斯光束相比，波面有点混乱，因此光束难以更紧密地聚焦。

在最有可能的光束质量M2实现衍射限制的高斯光束中，具有M2=1这一值的多束激光非常接近，特别是基于固体体激光器上的单模(单模动作)和单模光纤的光纤激光另一方面，特别是固体激光和二极管棒等半导体激光等高功率激光可以超过100，具有远远超过1000的非常大的M2。 固体激光器通常是增益介质中的热感应波前畸变和/或有效模面积失配和激光晶体中的泵浦区，但高功率半导体激光器使用高多模波导，因此光束质量差。 在这两种情况下，坏的光束质量都与高阶谐振器模式的激励有关。

在衍射受到限制的光束的焦点(光束腰)即光束半径达到其最小值的位置)处，光学波面是平坦的。 的波前干涉，例如质量差的光学元件、透镜的球面像差、增益介质中的热效应、孔径衍射、寄生反射，都可能破坏光束的质量。 在单色光束的情况下，原则上可以恢复光束的质量，如使用相位掩模准确地补偿波前的失真等，但即使在失真静止的情况下，这通常在实践中也是困难的。 一种更灵活的方法是将自适应光学和波面传感器结合起来。 使用非共振模式清洁器或模式清洁室可以在一定程度上改善激光束的光束质量。 但是，这将导致一些光功率的损失。 激光的亮度，或者更准确地说，其发射度取决于其输出功率和光束质量。

请注意，波束质量一词有定性含义。 这和上述的焦点调节性几乎没有关系。 在某些APP情况下，获得平滑的光束强度分布(如高斯形状的光束强度分布)很重要，而光束发散度并不重要。 激光束的“质量”有时不具有以下说明的M2特性。 一个波束具有相对小的M2值，但具有多峰波束轮廓，另一个波束具有平滑的波束形状，但由于发散度高，有时会具有较大的M2值。

光刻等激光应用需要大面积的均匀照明。 如果波束质量出现在该上下文中，则可能与本文讨论的聚焦可能性无关。 人们可能喜欢空间和时间相干性相当低的波束。

根据

光束质量的测量

iso标准11146，波束质量系数M2可以通过拟合程序计算，并应用于波束半径沿传播方向的测量推移(所谓焦散)。 为了得到正确的结果，需要遵守波束半径的正确定义和数据点的配置等许多规则。

根据测量的焦散计算波束质量。 黑色数据点是用于拟合处理的数据点，灰色点将被忽略。 (根据ISO标准11146，必须均衡选择数据点。 其中有些离束腰很近，有些离束腰足够远。 ）

市面上销售的波束分析器中，有些可以在数秒内自动执行波束质量测量。 通常基于不同位置的波束轮廓测量。 基于各种测量原理(如CCD、CMOS摄像机、旋转刀具和狭缝)的光束轮廓仪在光束半径、光功率允许范围、波长范围、对伪影的灵敏度等方面有很大不同。 例如，狭缝扫描仪和刀口扫描仪通常比照相机处理的功率高，可以更精确地接近高斯形状

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，其他问题也会产生影响。然后可能需要使快门与激光脉冲同步。可以使用空间光调制器来避免任何移动部件而不是通过光束移动探测器。替代测量方法基于通过模式匹配的无源光学谐振器或波前传感器的传输。激光束的完整特性只需要在单个平面上进行分析。

光束质量对应用的重要性

例如，当需要强聚焦光束时，高光束质量可能很重要。在激光材料加工领域，印刷、打标、切割和钻孔通常需要高光束质量，而焊接、钎焊、硬化和各种其他类型的表面处理在这方面不太重要，因为它们处理的光斑较大，因此可以直接应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，相对较高的光束质量（M2≤10) 可以使用大工作距离（即工件和聚焦物镜之间的大距离），这是非常需要的，例如为了保护光学器件免受碎屑和烟雾的影响。此外，高光束质量会降低光束传输系统中的光束直径，从而可以使用更小、更便宜的光学元件（例如反射镜和透镜）。此外，增加的有效瑞利长度（对于给定的光斑尺寸）增加了纵向对准的容差。

当zxdm在到达激光晶体之前必须通过各种光学部件（例如分色镜）时，高光束质量使大工作距离成为可能，这对于二极管泵浦激光器的设计也很重要。干涉仪、光学数据记录、激光显微镜等通常需要非常高（接近衍射极限）的光束质量，以及高空间相干性。锁模激光器必须始终具有高光束质量，因为高阶横模的激发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 固态激光器表现出高（接近衍射极限）光束质量。

这同样适用于各种气体激光器，例如氦氖激光器和CO2激光器。

一些高功率 固态激光器的光束质量较差，主要是因为激光晶体中的强烈热效应会导致光束失真。此外，在高光束质量和高功率效率或高光束质量和低对准灵敏度之间可能存在设计权衡。

低功率激光二极管通常具有较高的光束质量，而高功率激光二极管基本上总是具有较差的光束质量。本质上，这是因为高功率需要大的发射孔径，这使得所使用的波导高度多模。（数值孔径不能大幅降低。）

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）和对热透镜的低敏感性

良好的谐振器对准

最小化的热效应，尤其是从热透镜中的增益介质

高质量的光学元件（特别是关于增益介质）

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）——端泵浦比侧泵浦更容易实现

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。而热透镜在非线性晶体的材料仅在非常高的平均功率电平（因为只有通过寄生吸收发生弱加热）发生时，光束质量可受到其他效果：

空间走离可以在空间上移动相互作用的光束，使重叠变弱，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，在光束轴附近可能存在zxdm的强烈耗尽甚至反向转换，在极端情况下会导致明显的环形结构。增益引导会使此类问题更加严重。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与时间相关的光束质量。

此外，在非线性频率转换设备中使用光束质量较差的激光束会显着破坏转换效率。

可以使用数值计算机模型研究非线性光学中的光束质量效应，该模型可以模拟所涉及光束的空间（也可能是时间）轮廓的演变。

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