優(yōu)化激光光束質(zhì)量

光束質(zhì)量

定義：衡量激光光束的聚焦程度

激光光束的光束質(zhì)量具有多個(gè)定義，通常被用來衡量激光光束在特定情況下（例如，有限的光束發(fā)散角的情況下）聚焦的程度。常用的量化光束質(zhì)量的方法有：—光束參數(shù)乘積（BPP），也就是束腰處的光束半徑與遠(yuǎn)場光束發(fā)散角的乘積— M2因子，定義為光束參數(shù)乘積與其相同波長的衍射極限高斯光束的BPP的比值— M2的倒數(shù)，光束質(zhì)量很高時(shí)這一值很大

光束質(zhì)量高代表波前平滑，因此采用透鏡對光束聚焦時(shí)，當(dāng)波前是平面時(shí)得到焦點(diǎn)。圖1中的波前形狀很難聚焦，也就是給定光斑大小的光束發(fā)散角變大了。

圖1：光束質(zhì)量比較差的激光光束，該光束很難聚焦。

衍射極限高斯光束的光束質(zhì)量最好，這時(shí)M2?=?1。許多激光器的光束都接近這一值，尤其是單橫向模式（參閱單模工作）的固態(tài)體激光器和采用單模光纖的光纖激光器，或者一些低功率激光二極管（尤其是VCSELs）。但是有些高功率激光器（例如，固態(tài)體激光器和半導(dǎo)體激光器，例如二極管激光陣列）的 M2值高達(dá)100甚至超過1000，這通常是由于增益介質(zhì)中熱效應(yīng)引起的波前畸變或者激光晶體中有效模式面積和泵浦面積不匹配，而高功率半導(dǎo)體激光器中光束質(zhì)量差是由于采用了多模波導(dǎo)。而上面的情形中，光束質(zhì)量差通常與高階共振模式被激發(fā)有關(guān)。

聚焦衍射極限光束時(shí)（也就是該處光束半徑為最小值），光波前是平的。由于光學(xué)元件質(zhì)量差引起的波前不規(guī)則，例如透鏡組的球形象差，增益介質(zhì)的熱效應(yīng)，圓孔衍射或者寄生反射燈，都會使光束質(zhì)量變差。對于單色光束，利用相位掩膜完全補(bǔ)償波前畸變理論上可以保持光束質(zhì)量，但是實(shí)際中非常困難，即使畸變是穩(wěn)態(tài)的也是如此。可以采用更靈活的方案，將自適應(yīng)光學(xué)與波前傳感器相結(jié)合。

采用非共振的模清潔器或者模清潔腔可以提高激光光束的光束質(zhì)量。但是這會損失部分光功率。

激光器的亮度由輸出功率和光束質(zhì)量決定。

有時(shí)光束質(zhì)量被定性的用于某些地方，表示的意義與之前描述的聚焦程度關(guān)系很小。有些應(yīng)用中，需要得到非常平滑的光束強(qiáng)度截面，例如高斯型，這時(shí)不需要考慮光束發(fā)散角。光束的質(zhì)量不需要采用之前采用的 M2，光束可以具有相對比較小的 M2值但是同時(shí)具有多個(gè)峰值，而也有光束具有非常平滑的光束形狀但是發(fā)散角很大，因此 M2值很大。

目錄

測量光束質(zhì)量

根據(jù)ISO標(biāo)準(zhǔn)11146，可以采用擬合過程計(jì)算光束質(zhì)量因子 M2，應(yīng)用于測量光束在傳輸方向上光束半徑的變化（如圖2）。為了得到正確結(jié)果，在光束半徑的嚴(yán)格定義和數(shù)據(jù)點(diǎn)的位置選取時(shí)，需要遵守一些規(guī)則。

圖2：根據(jù)測量的焦散面計(jì)算得到的光束質(zhì)量。黑色的數(shù)據(jù)點(diǎn)是用來擬合曲線的點(diǎn)，忽略了灰色的數(shù)據(jù)點(diǎn)。（根據(jù)ISO標(biāo)準(zhǔn)11146，需要平均選取數(shù)據(jù)點(diǎn)，有些位于焦點(diǎn)附近，而其他的點(diǎn)則離焦點(diǎn)有一段距離）

商用的光束分析儀可以在幾秒內(nèi)自動(dòng)測量光束質(zhì)量。儀器是測量不同位置處的光束剖面來得到光束質(zhì)量的。采用不同原理的光束分析儀，例如，采用CCD和CMOS相機(jī)或者旋轉(zhuǎn)刀邊或旋轉(zhuǎn)刀縫，在允許的光束半徑范圍，光功率，波長范圍等方面是不同的。例如，縫或者刀邊掃描儀可以掃描比相機(jī)系統(tǒng)更高的功率，對于近高斯型光束測量很準(zhǔn)確，而采用相機(jī)系統(tǒng)更適用于復(fù)雜波形。如果光束功率隨時(shí)間變化則會產(chǎn)生其它的問題，例如，調(diào)Q激光器的輸出光。這時(shí)需要用一個(gè)快門與激光脈沖同步。

為了消除移動(dòng)部件對系統(tǒng)的影響，可以采用空間光調(diào)制器[8]，而不需要移動(dòng)探測器。

另外的測量方法包括：采用光束通過模式匹配的被動(dòng)光振蕩器后的透射光測量，或者采用波前傳感器，例如，Shack-Hartmann傳感器。此時(shí)分析激光光束只需要分析某一平面的波前面即可。

應(yīng)用中光束質(zhì)量的重要性

當(dāng)需要緊聚焦光束時(shí)，高的光束質(zhì)量非常必要。在激光材料加工、印刷、標(biāo)記、切割和鉆探中需要很高的光束質(zhì)量，而焊接和其它表面處理則相對不太需要很高的光束質(zhì)量，因?yàn)樗鼈儾捎玫墓獍咻^大，因此可以采用光束質(zhì)量稍差的高功率激光二極管。激光切割和遠(yuǎn)程焊接中，需要光束質(zhì)量相對較高（M2值不要大于10）用于較大工作距離（也就是工件與聚焦目標(biāo)之間距離），這樣是為了保護(hù)光學(xué)元件避免煙霧和損傷。在光束傳輸系統(tǒng)中，光束質(zhì)量高可以減小光束直徑，這樣可以采用更小更便宜的光學(xué)元件（例如，鏡子和棱鏡）。還有，增大有效瑞利長度（給定光斑大小）可以提高縱向?qū)?zhǔn)允差。

光束質(zhì)量高可以允許工作距離比較大，這在設(shè)計(jì)二極管泵浦激光器時(shí)也非常重要，因?yàn)楸闷止馐谶M(jìn)入激光器晶體前需要通過很多光學(xué)元件（例如，二向色鏡）。

干涉儀、光學(xué)數(shù)據(jù)記錄、激光顯微鏡等類似領(lǐng)域通常需要很高的光束質(zhì)量（近于衍射極限）和高空間相干性。

鎖模激光器需要具有很高的光束質(zhì)量，因?yàn)楦唠A縱向模式的激發(fā)會干擾脈沖形成過程。

一些激光器的光束質(zhì)量

通常來講，光束質(zhì)量不依賴于激光器類型，但是也存在一些規(guī)律：—大多數(shù)低功率二極管泵浦固態(tài)激光器的光束質(zhì)量很高（接近衍射極限）?！S多氣體激光器與上相同，例如氦氖激光器和二氧化碳激光器?！恍└吖β使虘B(tài)激光器的光束質(zhì)量很差，主要是因?yàn)榧す馄骶w的強(qiáng)熱學(xué)效應(yīng)引起光束畸變。另外，需要在高光束質(zhì)量和高功率效率之間權(quán)衡，或者高光束質(zhì)量和低對準(zhǔn)靈敏度之間?！凸β始す舛O管通常具有比較高的光束質(zhì)量，而高功率激光二極管的光束質(zhì)量則比較差。這主要是因?yàn)楣β矢咝枰椛淇讖酱螅虼瞬捎玫牟▽?dǎo)具有多個(gè)模式。（不能減小數(shù)值孔徑）

優(yōu)化激光光束質(zhì)量

為了得到高光束質(zhì)量的固態(tài)體激光器，關(guān)鍵因素為：—優(yōu)化諧振腔設(shè)計(jì)得到合適的模式面積（尤其是在增益介質(zhì)中）和對熱透鏡效應(yīng)的低靈敏度—諧振腔對準(zhǔn)—將熱效應(yīng)最小化，尤其是增益介質(zhì)中的熱透鏡效應(yīng)—高質(zhì)量光學(xué)元件（尤其是增益介質(zhì)）—優(yōu)化的泵浦強(qiáng)度分布（有時(shí)需要泵浦光源光束質(zhì)量比較高），采用端泵浦比邊泵浦更簡單

非線性光學(xué)中的光束質(zhì)量

不僅激光器中需要考慮光束質(zhì)量，非線性頻率轉(zhuǎn)換中也需要考慮。由于只有當(dāng)平均功率很高時(shí)，非線性晶體材料中才存在熱透鏡效應(yīng)（因?yàn)橹挥腥跫纳债a(chǎn)生熱），還存在其它效應(yīng)會影響光束質(zhì)量：—空間游走會使相互作用光束發(fā)生偏移，因此交疊變小，相互作用在空間上不對稱?！诒额l或者光參量放大器等強(qiáng)頻率轉(zhuǎn)換過程中，在光束軸向的泵浦光束存在很強(qiáng)的損耗甚至?xí)诚蜣D(zhuǎn)換，極限情況下會形成明顯的環(huán)形結(jié)構(gòu)。增益導(dǎo)引會使這一問題更加嚴(yán)重。光束質(zhì)量問題會限制高增益非線性頻率轉(zhuǎn)換裝置的功率擴(kuò)展性[5]?！獙τ诔堂}沖，群速度失配和其它效應(yīng)甚至?xí)构馐|(zhì)量隨時(shí)間變化。

在非線性頻率轉(zhuǎn)換裝置中，如果采用的激光的光束質(zhì)量很差會極大的降低轉(zhuǎn)換效率。非線性光學(xué)中光束質(zhì)量的影響可以采用一些數(shù)值模型來研究，表征光束空間分布（甚至隨時(shí)間的分布）的變化情況。

參考文獻(xiàn)

[1]ISO Standard 11146, “Lasers and laser-related equipment – Test methods for laser beam widths, divergence angles and beam propagation ratios” (2005)

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[3]A. E. Siegman, “Defining, measuring, and optimizing laser beam quality”, Proc. SPIE 1868, 2 (1993)[4]T. F. Johnston Jr., “Beam propagation (M2) measurement made as easy as it gets: the four-cuts method”, Appl. Opt. 37 (21), 4840 (1998)

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[6]R. Paschotta, “Beam quality deterioration of lasers caused by intracavity beam distortions”, Opt. Express 14 (13), 6069 (2006)

[7]E. Perevezentsev et al., “Comparison of phase-aberrated laser beam quality criteria”, Appl. Opt. 46 (5), 774 (2007)

[8]C. Schulze et al., “Beam-quality measurements using a spatial light modulator”, Opt. Lett. 37 (22), 4687 (2012)

參閱：衍射極限光束，高斯光束，M2因子，光束半徑，光束發(fā)散角，光束參數(shù)乘積，亮度，光束分析儀，熱透鏡，諧振腔設(shè)計(jì)，模清潔器，波束成形器