浅析光束质量的定义和测量

光束质量M²因子是激光光束特性非常重要的一个参数；激光的光束质量与激光的方向性密切相关，类似于线宽与激光的时间相干性、功率与激光的亮度的相关性。光束质量对激光制造、激光通信、远程传能等领域的应用效果有至关重要的影响。中科微精深耕激光微加工行业多年，其超快激光高品质制孔，超精细刻蚀/切割等极端制造技术，在航空航天、汽车、微电子领域已得到广泛应用，公司LOGO创意来源之一即光束质量M²因子。

光束质量的起源

中国国内最早提到光束质量的文献是一篇发表于1978年的《激光与光电子学进展》，标题为<用非线性光混频技术补偿光束质量的劣化>的文章，相比国外，起步较晚。20世纪90年代起，国际上研究热潮的兴起以及信息技术的普及应用，在这种大环境下，国内科研人员对“光束质量”也开始了全面深入的研究，目前基本实现了与国际同步。

前边提到光束质量的概念尚未完全普及，国内外各科研机构对于光束质量的定义不下于20种，定义的合理性和适用性在学术介也还未达到统一，因为光束质量的概念定义起来非常抽象，有一定的难度，是将一个7维空间（3个振幅维度、3个相位维度和1个时间维度，激光的光场信息通常需要用上述7维空间信息方可描述）的信息降维成1个参数，因此带来了大量信息损失，相比于激光的功率，线宽等参数，光束质量定义起来要复杂和困难许多。

光束质量定义与标准

当前国际上相对广泛使用且形成了ISO标准的一个定义，是M²因子，计算方法是实际光束的束宽与发散角的乘积除以理想光束的束宽与发散角的乘积，（其中理想光束取基模高斯光束，束宽取二阶矩定义），激光光束通过无像差光学系统时，它的M²因子是一个传输不变量，且M²≥1；M²偏离1越远，激光光束质量越差。

对于固体激光和半导体激光，光束参数乘积（Beam Parameters Product，BPP，束腰宽度和远场发散角的乘积）也经常被用于描述激光的光束质量。对基模高斯光束，BPP=λ/π（λ为激光的波长）；实际激光光束的BPP会大于λ/π，BPP值越大，光束质量越差。

在国内高能激光领域，也有人用β因子描述光束质量，β因子的定义为实际激光光束的发散角与理想光束（一般取为等同口径的平面波）的发散角的除值，β的值一般大于1，越接近1表明光束质量越好。

目前，我国有两个正在施行的标准，分别是制造用激光器光束质量的评价和测试方法（GB/T 27666-2011）和高能激光光束质量评价与测试方法（GB/T 32831-2016）。

光束质量的测量

既然光束质量那么重要，用什么设备测量，也是非常重要的课题，能够按照ISO标准设置测量程序，输出激光的M²因子测量值，具有规范性、通用性和国际可比性的设备，业界用得最多的有德国Primes公司的LQM和美国Spiricon公司的M²-200这两款设备，但价格昂贵，测量时间也比较长。除了这两款设备，也有一些普及度不高的设备，如基于散焦光栅、空间光调制器、液体透镜或采用数字全息技术、深度学习技术等，也可以对激光的M²因子进行测量，具有成本相对较低或者快速测量的优势。具体使用哪种，还得跟据具体应用要求所决定。国内院校和科研机构，常用的还是前边提到的两款设备。

在使用光束因子时，也有许多的注意事项，以M²因子为例，基模高斯光束的M²因子等于1；实际光束中由于高阶模的存在，会使得M²的值偏离1，偏离越远表明激光光束质量越差。有科研人员在实际应用中发现，存在一种特殊情形，在激光光束中的高阶模成分达到30%时，M²因子值等于1.08，这容易引起对实际效果的误判。简单而言，单模光纤输出光束的M²因子取值会在1.5到接近1.0之间（具体取决于V值），尽管都是基模光束，但是理论上就不存在M²因子等于1的情形。光束质量测量看似是一个简单的过程，但是对于测量结果的认知和运用，却是一项非常有挑战性的任务。

即便现在各种高科技的发展日新月异，但激光光束质量的定义和测量，还处于边应用边研究的阶段，要达到统一标准，成熟应用，还面临许多的困难和挑战！