激光光束质量因子m^2的物理概念与测试方法

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1、维普资讯http://www.cqvip.com重一目辅第1应用激光Vo1．14，No．31994年6月APPLIEDLASER

2、e1994～【激光光束质量因子M2的物理概念与测试方法曾秉斌徐德王润文7’’’———-—————一’～(中国科学硫上海光机所201800)提要激光光束传输质量因子M。是一种全新的描述激光光束质量的参数，它能定量表征单模、多模光束传播特性。本文介绍M。的物理慨念、特点、测试方法及近年来国外的研究概况。关键词光束质量因子M，衍射极限倍数，束宽，束腰，嵌入高斯光束PhysicalConceptandMeasurementonLaserB

3、eamGualityFactorM。ZengBinbin，XuDeyanandWangRunwen(Shaha1InstituteofOpticsa盈dFineMechaaies，AcademiaSinica，2olsoo)AbstractInthispaper，weintroducethefactorMa8anewmethodforcharacterizingandmeasuringthebeamqualityofalaseroutputbeam．Thebenefitsofthismethodarethattheparametercanbemeasured

4、tocharacterizerealmixed-modebeamsanditbecomesameasurablequantitydescribingbeampropagationaswellasbeamquality．Thephysicalconceptandthe。ts0fthefact0rM2aremeIj0nedmeasuremen．KeywordsthebeamqualityfactorMted，beamwidth，beamwaist，imbeddedGa岫＆ianbeam在激光技术及其应用领域，以及激光器的布与单模高斯光束很相似，但发散度较大，可设

5、计和生产过程中，光束质量是极为重要的参聚焦性也差；而另一些光束经调制后可获得与数。光束质量的定义及测试是激光研究的重要单模高斯光束接近的相位分布而光强分布相差内容之一。近年来，一种表征激光光束质量的甚远【ll。M因子被国际光学界所公认，并由国际标准光束质量是一项重要的性指标激光切化组织(ISO)予以推荐。M0因子克服了常用割和焊接过程中，通过在线检测光束质量来控的光束质量评价方法的局限，用M作为评价制工件进给速率高质量光束在很大程度上提标准对激光器系统进行质量监控及辅助设计等高激光武器的作战参数；光束质量的优劣为激具有十分重要的意义光器制造中的质量控制提供依

6、据。然而，过去常用的光束质量评价方法都存在一些不足。光束质量是激光束可聚焦程度的度量高质量光束的远场发散角应接近理想的单模高斯光束质量的定义和测量方法缺乏统一标准对激光学术交流以及激光器产品供销都是一种光束(TEM)的衍射极限。影响光束质量的因素较多，诸如高阶模输出、衍射、光学传输系障碍。为此，欧共体国家委托ISO下属激光委员会(SC9)第一工作组(WG1)经1990年以统的象差及装校误差、工作物质的双折射及热透镜效应等l1J。光束质量是由光场振幅和相1994年2月3日收稿位分布共同决定的，有些些多模光束的光强分一1n4维普资讯http://www.cqvi

7、p.com来几次会议讨论，初步认可M。因子作为光束量应用两个参数描述，质量标准。根据该标准，国际上任何厂家的激光器的光束质量均可相互比对。J【f7)=●●’。———一矗D0M。的数理概念M和分别表示X方向和Y方向的光束定义M。为光束质量因子的理论基础是束质量因子。由定义可知M。是～个大于或等于腰的束宽和远场发散角乘积不变原理。如图11的参数，对单模高斯光束M。=1。从(7)式■所示，光束经无象差光学系统变换后，可以看出一般光束远场发散角(1)e=M24A(8)4=d0口=co~st；．考虑到是单模高斯光束的衍射极限，M0的物理意义可理解为衍射极限倍数(tim

8、es-ditfIaction-limited)。M0的概念较早是由M．Larry提出的圈i无象差透镜对柬腰和发散角的变换他认为高阶模光束的焦斑直径和远场发散角都式(1)可用量子力学测不准关系来解释在是单模高斯光束的M。倍。A．E．Siegman引入束腰处光子位置不确定度是AX，AX最小值空间频率和强度矩的概念使定义M0作为光束是单模高斯光束束腰处束宽d0，光子横向动量质量因子的设想得以确立_5}日】。不确定度是△，在近轴近似条件下，将光强在空域及频域的分布分别表示为I(X，Y，Z)和l(s，s)，其中S，S分别是x，Y△：Bie(2)方向上的空间频率，在傍轴

9、近似条件下，s=sin／^，=sin0／^／^，可以