隨著激光在鋼鐵簿废、汽車、電子络它、航空族檬、機(jī)械制造、石油化戳、化工单料、軍事等工業(yè)領(lǐng)域及科學(xué)研究中的廣泛應(yīng)用埋凯，激光及相關(guān)產(chǎn)業(yè)進(jìn)入高速發(fā)
展期，要研究激光和應(yīng)用激光就必須能夠?qū)す獾奶匦詤?shù)進(jìn)行準(zhǔn)確測量扫尖。對(duì)激光器主要參數(shù)的計(jì)量測試是激光技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方
面白对，但是長期以來，評(píng)估光束質(zhì)量的參數(shù)越來越多换怖，如：聚焦光斑直徑甩恼、瑞利長度、發(fā)散角沉颂、光束參數(shù)乘積条摸、M2因子等，不同的評(píng)估
標(biāo)準(zhǔn)和測量方法得出的結(jié)論相差很大, 針對(duì)不同應(yīng)用目的提出多種參數(shù)以評(píng)價(jià)激光束的光束質(zhì)量铸屉。本文主要介紹部分描述光束質(zhì)量的參
數(shù)及其計(jì)算方法屈溉。
光斑尺寸：
對(duì)光束束寬的定義有以下幾種方法：
1）1/n定義法
在光強(qiáng)分布曲線上仪搔，相對(duì)光強(qiáng)為峰值光強(qiáng)的1/n處的兩個(gè)點(diǎn)之間的距離定義為光束的束寬，一般n取值為e2或e蜻牢，實(shí)際上是按照光強(qiáng)分布
定義的烤咧。
2）功率定義法
在光強(qiáng)分布曲線上，占總功率能量的η處至峰值處距離定義為束寬w（z）抢呆，常用的η有86.5%煮嫌，63%。
3）刀口法
按能量來定義束寬抱虐，對(duì)應(yīng) 10%和 90%能量截?cái)帱c(diǎn)間的距離定義為束寬昌阿，可避免“1/n”方法用于計(jì)算無規(guī)則光束的困難，能用于計(jì)算
無規(guī)則的和光束質(zhì)量極差的光束的束寬恳邀。
4）二階矩定義法
直角坐標(biāo)系中懦冰，在 z 處 x、y 方向的束寬wx谣沸，wy按二階矩方法定義為：
束寬 ω(z)隨坐標(biāo)z按雙曲線
規(guī)律向外擴(kuò)展刷钢，z=0 時(shí)，ω(0)為最小值 乳附，ω0稱為束腰内地。
瑞利長度：
高斯光束的波陣面在束腰位置處為平面波伴澄，波陣面是由此開始傳播的。波陣面從束腰位置向前傳播瓤鼻，逐漸變成曲面秉版，直到等相面曲率半
徑達(dá)到最小，此后變平茬祷。從束腰到達(dá)最小曲率半徑位置兩者之間的距離就稱為瑞利范圍清焕，其大小由Z0 來表示稱為瑞利尺寸。在Z0≤Z
范圍內(nèi)高斯光束可以近似認(rèn)為是平行光束祭犯，光束的瑞利長度越大則準(zhǔn)直性越好秸妥。
發(fā)散角：
一般用發(fā)散角描述激光的發(fā)散度，有多種方式去測量激光束的發(fā)散度沃粗，我們在這里描述兩種激光束發(fā)散度的測量方法粥惧。
方法1：
使用一個(gè)已知焦距的透鏡測量遠(yuǎn)場激光束發(fā)散度，顯然完全發(fā)散θ=D/f最盅，D是焦點(diǎn)位置的束腰半徑突雪，f是焦距。
圖1 發(fā)散角測量原理圖
通過將CinCam分析儀放置在焦距處涡贱，并且直接在軟件RayCi上輸入焦距咏删，就很容易實(shí)現(xiàn)光束發(fā)散度的測量。
圖2 Cinogy公司測量軟件界面
方法2：
通過直接計(jì)算光束路徑中的幾個(gè)位置的光束尺寸進(jìn)行測量问词，發(fā)散度由公式θ=2arctan[（D1-D2）/2L]算出督函，D1、D2是不同位置的光斑
直徑激挪，L是兩個(gè)被測光斑之間的距離辰狡。
圖3 發(fā)散角測量原理圖
圖4 Cinogy公司測量軟件界面
M2因子
在激光科學(xué)中，參數(shù)M2也稱為光束質(zhì)量因子垄分，表示光束到理想高斯光束的變化程度宛篇。它由光束的光束參數(shù)乘積(BPP)與相同波長的理想
高斯光束的光束參數(shù)乘積(BPP)之比計(jì)算而得。它將激光束的發(fā)散度與能夠達(dá)到的最小聚焦光斑大小聯(lián)系起來锋喜。對(duì)于單模TEM00(高斯)
激光束些己，M2為1。
光束質(zhì)量在很多應(yīng)用中是重要的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)嘿般，在光纖通信中，為了與單模光纖耦合涯冠，需要M2因子接近1的光束炉奴。M2決定了已知直徑的準(zhǔn)
直光束聚焦的緊密程度，焦點(diǎn)的直徑跟隨M2和輻照度的變化而變化蛇更，這在激光加工和激光焊接中是非常重要的瞻赶，因?yàn)樗鼪Q定了焊接位
置的高能量密度赛糟。
ISO標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了一種計(jì)算M2的方法，測量一組光束的直徑砸逊，最大限度地減少誤差來源璧南。以下是主要步驟:
- 用無像差透鏡聚焦。
- 使用ISO標(biāo)準(zhǔn)中詳細(xì)的回歸方程來擬合雙曲線到X軸和Y軸的數(shù)據(jù)點(diǎn)师逸，通過最小化測量誤差來提高計(jì)算的準(zhǔn)確性司倚。
- 從擬合曲線中提取每個(gè)軸的θ、R篓像、W0和M2的值动知。ISO標(biāo)準(zhǔn)還提出了一些關(guān)于直徑測量的額外規(guī)則(特別是當(dāng)使用ccd或cmos陣列傳感器時(shí)):
- 用直徑的三倍作為計(jì)算區(qū)域。
- 在進(jìn)行測量之前一定要去除背景噪聲员辩。
部分產(chǎn)品介紹：
對(duì)于激光光束質(zhì)量檢測的相關(guān)儀器盒粮，目前比較成熟的方案提供商為我司獨(dú)家代理的德國CINOGY公司，針對(duì)不同的測量對(duì)象奠滑，我司提供
不同的檢測儀器丹皱。
CinSquare是一款緊湊的全自動(dòng)化工具，用于測量從紫外到短波紅外光譜范圍的連續(xù)波和脈沖激光系統(tǒng)的光束質(zhì)量（M2因子）宋税。該系
統(tǒng)由一個(gè)固定聚焦透鏡摊崭、機(jī)械平臺(tái)、CinCam光束質(zhì)量分析儀組成弃甥。固定聚焦透鏡位于一個(gè)機(jī)械平臺(tái)前面爽室，該平臺(tái)攜帶著基于相機(jī)的
CinCam光束質(zhì)量分析儀，其運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性確保了在工業(yè)淆攻、科學(xué)阔墩、研究和開發(fā)中的持續(xù)應(yīng)用。
圖5 CinSquare系列產(chǎn)品
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