激光器主要用在傳感和加工兩個(gè)方面。其中傳感是通過與被測(cè)對(duì)象相互作用，造成激光光強(qiáng)、脈寬、波長(zhǎng)、相位等物理量的調(diào)制，使得激光攜帶被測(cè)對(duì)象的物理信息，再經(jīng)過后續(xù)解調(diào)，獲取被測(cè)信息。激光光束質(zhì)量的好壞直接決定了信息與能量傳遞的成功與否，良好的光束質(zhì)量是實(shí)現(xiàn)高亮度激光、保證設(shè)備工作效能的關(guān)鍵，也是反映儀器效率和效益的關(guān)鍵因素。

激光光束M2因子是描述激光傳播過程中激光光束準(zhǔn)直的一個(gè)參量，它的大小與激光光束本身的特性有關(guān)，并不全被它的衍射特性決定。激光光束M2因子是高斯光束歸一化的不變量，其大小由近場(chǎng)光學(xué)的復(fù)振幅空間的分布函數(shù)決定，并不會(huì)隨著激光的傳播和變化而改變，可用作為設(shè)計(jì)發(fā)射和接收等激光光學(xué)系統(tǒng)的理論依據(jù)。對(duì)于一些比較常用的激光，它們大部分都是多模或單模的高斯光束，所以采用它當(dāng)一個(gè)衡量標(biāo)準(zhǔn)具有一定的實(shí)用價(jià)值。在函數(shù)中，采用了帶寬積zui小的高斯函數(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)，使用激光光束M2因子來作為判斷激光光束的質(zhì)量好壞是比較方便的。當(dāng)激光光束M2因子確定時(shí)，當(dāng)值或值發(fā)生改變時(shí)，并不會(huì)明顯的改變激光的準(zhǔn)直特性。因此用激光光束M2因子來判斷激光質(zhì)量好壞是比較合適的。

M2因子定義為：

其中，w是被測(cè)激光的束寬，q則是被測(cè)激光的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角，w0表示理想激光的束寬，q0為理想激光的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角。M2因子的倒數(shù)則稱為K因子。M2≥1，M2越接近于1，則光束質(zhì)量越好。

圖1所示為一般的激光光束傳播方向電場(chǎng)分布，其光束直徑及波前等相位面沿光束傳播方向漸變，激光光束直徑zui小點(diǎn)為束腰位置，激光光束直徑及波前等相位面以束腰為中心左右對(duì)稱。激光光束的波前等相位面的曲率半徑存在一個(gè)zui小值，此處距束腰的距離就是為瑞利長(zhǎng)度，從束腰位置到無窮遠(yuǎn)處，波前等相位面的曲率半徑從無窮大(平面)逐漸減小，到瑞利長(zhǎng)度處達(dá)到zui小值，后又逐漸增大到無窮大，無窮遠(yuǎn)處可將激光等同于平面波。通常將正負(fù)瑞利長(zhǎng)度范圍之內(nèi)的空間定義為激光束的近場(chǎng)，正負(fù)瑞利長(zhǎng)度范圍以外的空間定義為遠(yuǎn)場(chǎng)。

高斯激光光束電場(chǎng)分布示意圖

根據(jù)波前傳播理論，激光光束的發(fā)散是由于在傳輸過程中激光光束直徑的增加引起的。光束發(fā)散的程度由角度值q來表示。激光光束zui小寬度處的尺寸稱之為束腰(半寬)。測(cè)量光傳播方向(也就是Z軸)上不同點(diǎn)的光束直徑，就能確定光束的發(fā)散角和束腰特性。M2因子測(cè)試儀正是沿著Z軸對(duì)光束尺寸進(jìn)行取樣，以確定光束的空間特性。通過3個(gè)不同距離位置的束腰寬度就能計(jì)算得到激光光束M2因子，采用更多的距離位置的值是為了相互核驗(yàn)來減小測(cè)試的誤差。沿激光的傳播方向Z軸測(cè)量激光在相異Z軸地方的束腰半寬度w，采用雙曲線擬合來得到激光的傳輸輪廓，zui后計(jì)算出激光光束M2因子以及相關(guān)的參數(shù)。依據(jù)ISO標(biāo)準(zhǔn)，要達(dá)到所需的測(cè)量精度，zui少測(cè)量10個(gè)不同位置的束腰寬度，而且至少需要有5個(gè)位置點(diǎn)處在其瑞利長(zhǎng)度范圍內(nèi)。

依據(jù)測(cè)試原理不同，激光光束M2因子測(cè)試儀可分為兩類：一類是采用刀口、狹縫和針孔等機(jī)械掃描法的方法，激光光束經(jīng)掃描器件切割或遮擋后，余下的光直接入射到光電探測(cè)器上，記錄下相關(guān)光束信息，該方法需要二維掃描，測(cè)試分辨率低，速度慢，測(cè)量結(jié)果誤差較大，而且該方法僅可用于測(cè)量連續(xù)波激光的傳輸特性;另一類是采用CCD面陣器件作為圖像傳感器直接探測(cè)，將光束經(jīng)衰減和變換后入射照射到CCD的感光面上實(shí)現(xiàn)測(cè)量，既可用于連續(xù)和也可用于脈沖激光測(cè)試，測(cè)試速度快，精度高。依據(jù)對(duì)光束截面取樣方法的不同，又可將激光光束M2因子測(cè)試儀產(chǎn)品分為三類：第 一類是利用透鏡匯聚光束，透鏡固定不動(dòng)，移動(dòng)探頭取樣;第 二類同樣是利用透鏡等光學(xué)系統(tǒng)匯聚光束，固定探頭位置，通過移動(dòng)透鏡實(shí)現(xiàn)取樣;第 三類采用的是分束的方法，固定聚焦透鏡和探頭，將入射光束分成多路，分別照射到不同的探頭上，同一時(shí)間完成取樣。三類取樣方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)，一般來說，固定探頭動(dòng)透鏡方案需要用到多片透鏡，在光路中引入的透鏡越多，測(cè)試中的對(duì)光過程越復(fù)雜，帶來的測(cè)量誤差就越大。同時(shí)透鏡移動(dòng)會(huì)放大光束離軸引入的取樣位置光束誤差，影響測(cè)試精度。固定透鏡和探頭，對(duì)采樣光束分束的方案雖然可節(jié)省測(cè)量時(shí)間，但這需要復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)，無論采用哪種分束方式，都不可避免的引入較大誤差，降低測(cè)量精 確度。按照目前的技術(shù)狀態(tài)，利用固定透鏡、移動(dòng)探頭的方案得到的測(cè)量結(jié)果zui接近于真實(shí)值，在保證透鏡像差的前提下，各取樣點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果可反映光束的不同位置的光斑特性，因而測(cè)量結(jié)果也zui為可信。

在測(cè)量激光光束M2因子時(shí)，由于激光光束的發(fā)散角通常較小，造成了遠(yuǎn)場(chǎng)范圍取點(diǎn)的困難，即為獲取尺寸差異較大的光斑來保證測(cè)量的準(zhǔn)確度，需在幾米甚至十幾米以外取測(cè)量點(diǎn)，將儀器做成如此大是不現(xiàn)實(shí)的，因此需要通過光學(xué)變換人為增大光束發(fā)散角，在近距離(幾百毫米)內(nèi)形成一個(gè)人造束腰，人造束腰兩側(cè)光斑尺寸被人為地增大，滿足了取樣測(cè)量的要求，在取樣測(cè)量的基礎(chǔ)上，利用雙曲線擬合的方法求出透鏡聚焦后的激光光束的M2因子。根據(jù)上文給出的激光光束M2因子的定義，由于是一個(gè)常數(shù)(2λ/π)，因此激光光束的M2因子與成正比，而不因透鏡聚焦等光學(xué)變換而改變，因此所測(cè)得的M2值即為被測(cè)裝備出射的激光光束M2因子值，具體的采樣測(cè)量結(jié)構(gòu)如圖所示。

光束采樣測(cè)量結(jié)構(gòu)圖

在實(shí)際測(cè)量中，用ZR表示瑞利長(zhǎng)度，當(dāng)|Z|=ZR時(shí)，w(ZR)=√2w0。取Z=±ZR，即束腰兩側(cè)的二倍瑞利長(zhǎng)度當(dāng)做高斯光束的準(zhǔn)直區(qū)域。在此范圍內(nèi)高斯光束可認(rèn)為是近乎平行的。測(cè)量時(shí)通常采集多個(gè)Z軸位置處的束寬來計(jì)算出M2因子等光束參數(shù)。為了提高測(cè)量精度，在光傳播方向上采集大于10個(gè)位置處的束寬，其中必須至少要有5個(gè)距束腰的長(zhǎng)度位于其一倍瑞利距離范圍內(nèi)的位置點(diǎn)。采樣位置如圖所示：

光束采樣位置示意圖

采樣點(diǎn)所在區(qū)間即采樣測(cè)量范圍就是像距調(diào)整范圍，測(cè)量步驟如下：

第 一步：測(cè)試若干對(duì)(z,w(z))的值進(jìn)行曲線擬合，通過擬合的結(jié)果可以可得到實(shí)際激光光束聚焦后的參數(shù)wf、fz、qf(w(z)是z處的束寬);

第 二步：根據(jù)曲線擬合的值進(jìn)行計(jì)算M2;

第 三步：依據(jù)高斯光束在傳播的時(shí)候束寬乘以遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角的積不會(huì)發(fā)生變化，從而反推實(shí)際激光光束聚焦前的參數(shù)w0、z0、q0。

M2-200S示意圖

上圖為M2-200S光束分析儀結(jié)構(gòu)示意圖，使用M2-200S對(duì)He-Ne激光器發(fā)出的激光光束進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖所示：

M2-200S測(cè)試儀測(cè)試結(jié)果