淺析光束質量的定義和測量

光束質量M2因子是激光光束特性非常重要的一個參數；激光的光束質量與激光的方向性密切相關，類似于線寬與激光的時間相干性、功率與激光的亮度的相關性。光束質量對激光制造、激光通信、遠程傳能等領域的應用效果有至關重要的影響。中科微精深耕激光微加工行業多年，其超快激光高品質制孔，超精細刻蝕/切割等極端制造技術，在航空航天、汽車、微電子領域已得到廣泛應用，公司LOGO創意來源之一即光束質量M2因子。

光束質量的起源

中國國內最早提到光束質量的文獻是一篇發表于1978年的《激光與光電子學進展》，標題為<用非線性光混頻技術補償光束質量的劣化>的文章，相比國外，起步較晚。20世紀90年代起，國際上研究熱潮的興起以及信息技術的普及應用，在這種大環境下，國內科研人員對“光束質量”也開始了全面深入的研究，目前基本實現了與國際同步。

前邊提到光束質量的概念尚未完全普及，國內外各科研機構對于光束質量的定義不下于20種，定義的合理性和適用性在學術介也還未達到統一，因為光束質量的概念定義起來非常抽象，有一定的難度，是將一個7維空間（3個振幅維度、3個相位維度和1個時間維度，激光的光場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個參數，因此帶來了大量信息損失，相比于激光的功率，線寬等參數，光束質量定義起來要復雜和困難許多。

光束質量定義與標準

當前國際上相對廣泛使用且形成了ISO標準的一個定義，是M2因子，計算方法是實際光束的束寬與發散角的乘積除以理想光束的束寬與發散角的乘積，（其中理想光束取基模高斯光束，束寬取二階矩定義），激光光束通過無像差光學系統時，它的M2因子是一個傳輸不變量，且M2≥1；M2偏離1越遠，激光光束質量越差。

對于固體激光和半導體激光，光束參數乘積（Beam Parameters Product，BPP，束腰寬度和遠場發散角的乘積）也經常被用于描述激光的光束質量。對基模高斯光束，BPP=λ/π（λ為激光的波長）；實際激光光束的BPP會大于λ/π，BPP值越大，光束質量越差。

在國內高能激光領域，也有人用β因子描述光束質量，β因子的定義為實際激光光束的發散角與理想光束（一般取為等同口徑的平面波）的發散角的除值，β的值一般大于1，越接近1表明光束質量越好。

目前，我國有兩個正在施行的標準，分別是制造用激光器光束質量的評價和測試方法（GB/T 27666-2011）和高能激光光束質量評價與測試方法（GB/T 32831-2016）。

光束質量的測量

既然光束質量那么重要，用什么設備測量，也是非常重要的課題，能夠按照ISO標準設置測量程序，輸出激光的M2因子測量值，具有規范性、通用性和國際可比性的設備，業界用得最多的有德國Primes公司的LQM和美國Spiricon公司的M2-200這兩款設備，但價格昂貴，測量時間也比較長。除了這兩款設備，也有一些普及度不高的設備，如基于散焦光柵、空間光調制器、液體透鏡或采用數字全息技術、深度學習技術等，也可以對激光的M2因子進行測量，具有成本相對較低或者快速測量的優勢。具體使用哪種，還得跟據具體應用要求所決定。國內院校和科研機構，常用的還是前邊提到的兩款設備。

在使用光束因子時，也有許多的注意事項，以M2因子為例，基模高斯光束的M2因子等于1；實際光束中由于高階模的存在，會使得M2的值偏離1，偏離越遠表明激光光束質量越差。有科研人員在實際應用中發現，存在一種特殊情形，在激光光束中的高階模成分達到30%時，M2因子值等于1.08，這容易引起對實際效果的誤判。簡單而言，單模光纖輸出光束的M2因子取值會在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。光束質量測量看似是一個簡單的過程，但是對于測量結果的認知和運用，卻是一項非常有挑戰性的任務。

即便現在各種高科技的發展日新月異，但激光光束質量的定義和測量，還處于邊應用邊研究的階段，要達到統一標準，成熟應用，還面臨許多的困難和挑戰！