淺析光束質(zhì)量的定義和測(cè)量

光束質(zhì)量M2因子是激光光束特性非常重要的一個(gè)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(shí)間相干性、功率與激光的亮度的相關(guān)性。光束質(zhì)量對(duì)激光制造、激光通信、遠(yuǎn)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(xì)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(lái)源之一即光束質(zhì)量M2因子。

光束質(zhì)量的起源

中國(guó)國(guó)內(nèi)最早提到光束質(zhì)量的文獻(xiàn)是一篇發(fā)表于1978年的《激光與光電子學(xué)進(jìn)展》，標(biāo)題為<用非線性光混頻技術(shù)補(bǔ)償光束質(zhì)量的劣化>的文章，相比國(guó)外，起步較晚。20世紀(jì)90年代起，國(guó)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(guó)內(nèi)科研人員對(duì)“光束質(zhì)量”也開(kāi)始了全面深入的研究，目前基本實(shí)現(xiàn)了與國(guó)際同步。

前邊提到光束質(zhì)量的概念尚未完全普及，國(guó)內(nèi)外各科研機(jī)構(gòu)對(duì)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(xué)術(shù)介也還未達(dá)到統(tǒng)一，因?yàn)楣馐|(zhì)量的概念定義起來(lái)非常抽象，有一定的難度，是將一個(gè)7維空間（3個(gè)振幅維度、3個(gè)相位維度和1個(gè)時(shí)間維度，激光的光場(chǎng)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(gè)參數(shù)，因此帶來(lái)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(lái)要復(fù)雜和困難許多。

光束質(zhì)量定義與標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)前國(guó)際上相對(duì)廣泛使用且形成了ISO標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)定義，是M2因子，計(jì)算方法是實(shí)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(guò)無(wú)像差光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，它的M2因子是一個(gè)傳輸不變量，且M2≥1；M2偏離1越遠(yuǎn)，激光光束質(zhì)量越差。

對(duì)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(yuǎn)場(chǎng)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(duì)基模高斯光束，BPP=λ/π（λ為激光的波長(zhǎng)）；實(shí)際激光光束的BPP會(huì)大于λ/π，BPP值越大，光束質(zhì)量越差。

在國(guó)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(shí)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(guó)有兩個(gè)正在施行的標(biāo)準(zhǔn)，分別是制造用激光器光束質(zhì)量的評(píng)價(jià)和測(cè)試方法（GB/T 27666-2011）和高能激光光束質(zhì)量評(píng)價(jià)與測(cè)試方法（GB/T 32831-2016）。

光束質(zhì)量的測(cè)量

既然光束質(zhì)量那么重要，用什么設(shè)備測(cè)量，也是非常重要的課題，能夠按照ISO標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置測(cè)量程序，輸出激光的M2因子測(cè)量值，具有規(guī)范性、通用性和國(guó)際可比性的設(shè)備，業(yè)界用得最多的有德國(guó)Primes公司的LQM和美國(guó)Spiricon公司的M2-200這兩款設(shè)備，但價(jià)格昂貴，測(cè)量時(shí)間也比較長(zhǎng)。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(xué)習(xí)技術(shù)等，也可以對(duì)激光的M2因子進(jìn)行測(cè)量，具有成本相對(duì)較低或者快速測(cè)量的優(yōu)勢(shì)。具體使用哪種，還得跟據(jù)具體應(yīng)用要求所決定。國(guó)內(nèi)院校和科研機(jī)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(shí)，也有許多的注意事項(xiàng)，以M2因子為例，基模高斯光束的M2因子等于1；實(shí)際光束中由于高階模的存在，會(huì)使得M2的值偏離1，偏離越遠(yuǎn)表明激光光束質(zhì)量越差。有科研人員在實(shí)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(dá)到30%時(shí)，M2因子值等于1.08，這容易引起對(duì)實(shí)際效果的誤判。簡(jiǎn)單而言，單模光纖輸出光束的M2因子取值會(huì)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(cè)量看似是一個(gè)簡(jiǎn)單的過(guò)程，但是對(duì)于測(cè)量結(jié)果的認(rèn)知和運(yùn)用，卻是一項(xiàng)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(cè)量，還處于邊應(yīng)用邊研究的階段，要達(dá)到統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，成熟應(yīng)用，還面臨許多的困難和挑戰(zhàn)！