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深圳海納光學(xué)有限公司
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如何描述光束質(zhì)量
2020-5-26 閱讀(7434)
在激光的生產(chǎn)和使用過程中，不可避免的會涉及到光束質(zhì)量的檢測和表征，M2和BPP是表達(dá)激光光束質(zhì)量的兩個zui常用的物理量。M2和BPP是基于相同的物理概念導(dǎo)出，所以他們兩者之間可以相互換算。
光束質(zhì)量之所以重要是因為它是判斷激光器好壞和能否進(jìn)行激光精密加工的一個關(guān)鍵物理量，對于很多種單模輸出的激光器來說，高品質(zhì)的激光器通常都具有很高的光束質(zhì)量，對應(yīng)很小的M2，例如1.05或1.1。而且激光器能夠在使用壽命之內(nèi)都保持很好的光束質(zhì)量，M2數(shù)值幾乎不變。對于激光精密加工而言，高光束質(zhì)量的激光光束更有利于整形，從而進(jìn)行不損傷基底，沒有熱效應(yīng)的平頂激光加工。在實際使用中，標(biāo)注激光器規(guī)格參數(shù)時，M2多數(shù)用于固體激光器、氣體激光器，而BPP多用于光纖激光器。
如何標(biāo)定光束質(zhì)量的好與壞？描述激光的光束質(zhì)量通常由兩個參數(shù)表達(dá)：BPP和M²。M²很多時候也寫成M2，可以讀作M平方或M2。
下圖為高斯光束的縱向分布圖，其中束腰半徑W，遠(yuǎn)場發(fā)散角半角θ。
BPP（Beam Parameter Product），BPP中文名稱是光束參數(shù)乘積，定義為束腰半徑 × 遠(yuǎn)場發(fā)散角
BPP=W × θ
高斯光束的遠(yuǎn)場發(fā)散角半角：
θ0=λ / ΠW0
M²：光束參數(shù)乘積與基模高斯光束的光束參數(shù)乘積的比值：
M2=（W×θ）/（W0×θ0）=BPP /（λ/Π）
由以上公式不難發(fā)現(xiàn)，其中BPP與波長是無關(guān)的，而M²因子也與激光波長有關(guān)。他們主要于激光器的腔體設(shè)計和裝配精度有關(guān)。
M²因子數(shù)值無限接近于1，表示真實數(shù)據(jù)和理想數(shù)據(jù)的比值，當(dāng)真實數(shù)據(jù)越接近于理想數(shù)據(jù)時，則光束質(zhì)量越好，即當(dāng)M²因子越接近于1時，則光束質(zhì)量越好，對應(yīng)的發(fā)散角度越小。
對于光束質(zhì)量的分析，主要依賴光束分析儀進(jìn)行測量。光束質(zhì)量分析儀可以進(jìn)行jing準(zhǔn)測量，而使用光斑分析儀則需要復(fù)雜的操作，通過不同位置采集激光截面的數(shù)據(jù)，然后通過儀器內(nèi)置程序合成M²的數(shù)據(jù)，如果在采樣過程中存在操作失誤或測量錯誤，則無法測量分析M²的數(shù)值。而對于高功率測量，則需要復(fù)雜的衰減系統(tǒng)，使激光功率保持在可測量的范圍內(nèi)，避免功率過高損壞儀器探測面。
根據(jù)上圖，可對光纖纖芯和數(shù)值孔徑進(jìn)行估算。對于光纖激光器，束腰半徑ω0=光纖芯徑/2=R，θ=sinα=α=NA（光纖數(shù)值孔徑）
由此可得出結(jié)論：
BPP越小，表示激光器的光束質(zhì)量越好。
對于1.08um的光纖激光器而言，單基模 M2=1，BPP=λ/Π=0.344 mm mrad
對于10.6um的CO2激光器，單基模M2=1，BPP=3.38 mm mrad
假設(shè)兩種單基模（或者多模M2相同的情況下）激光器聚焦后，發(fā)散角一致，則CO2激光器的焦點(diǎn)直徑是光纖激光器的10倍。
M²越接近于1，表示激光器的光束質(zhì)量越好。
在激光光束處于高斯分布或近高斯分布時，M²因子越接近于1，則表明實際激光越接近于理想狀態(tài)高斯激光，則光束質(zhì)量越好。
