光束質量的表達

時間：2020-05-26

在激光的生產和使用過程中，不可避免的會涉及到光束質量的檢測和表征，M2和BPP是表達深圳維爾克斯專業(yè)代理的激光光束質量的兩個較常用的物理量。M2和BPP是基于相同的物理概念導出，所以他們兩者之間可以相互換算。
光束質量之所以重要是因為它是判斷激光器好壞和能否進行激光精密加工的一個關鍵物理量，對于很多種單模輸出的激光器來說，高品質的激光器通常都具有很高的光束質量，對應很小的M2，例如1.05或1.1。而且激光器能夠在使用壽命之內都保持很好的光束質量，M2數值幾乎不變。對于激光精密加工而言，高光束質量的激光光束較有利于整形，從而進行不損傷基底，沒有熱效應的平**激光加工。在實際使用中，標注激光器規(guī)格參數時，M2多數用于固體激光器、氣體激光器，而BPP多用于光纖激光器。

如何標定光束質量的好與壞？描述激光的光束質量通常由兩個參數表達：BPP和M2。M2很多時候也寫成M2，可以讀作M平方或M2。
下圖為高斯光束的縱向分布圖，其中束腰半徑W，遠場發(fā)散角半角θ。

BPP（Beam Parameter Product），BPP中文名稱是光束參數乘積，定義為束腰半徑 × 遠場發(fā)散角
BPP=W × θ
高斯光束的遠場發(fā)散角半角：

θ0=λ / ΠW0
M2：光束參數乘積與基模高斯光束的光束參數乘積的比值：

M2=（W×θ）/（W0×θ0）=BPP /（λ/Π）
由以上公式不難發(fā)現，其中BPP與波長是無關的，而M2因子也與激光波長有關。他們主要于激光器的腔體設計和裝配精度有關。
M2因子數值無限接近于1，表示真實數據和理想數據的比值，當真實數據越接近于理想數據時，則光束質量越好，即當M2因子越接近于1時，則光束質量越好，對應的發(fā)散角度越小。

對于光束質量的分析，主要依賴光束分析儀進行測量。光束質量分析儀可以進行精準測量，而使用光斑分析儀則需要復雜的操作，通過不同位置采集激光截面的數據，然后通過儀器內置程序合成M2的數據，如果在采樣過程中存在操作失誤或測量錯誤，則無法測量分析M2的數值。而對于高功率測量，則需要復雜的衰減系統，使激光功率保持在可測量的范圍內，避免功率過高損壞儀器探測面。

根據上圖，可對光纖纖芯和數值孔徑進行估算。對于光纖激光器，束腰半徑ω0=光纖芯徑/2=R，θ=sinα=α=NA（光纖數值孔徑）

由此可得出結論：
BPP越小，表示激光器的光束質量越好。
對于1.08um的光纖激光器而言，單基模 M2=1，BPP=λ/Π=0.344 mm mrad
對于10.6um的CO2激光器，單基模M2=1，BPP=3.38 mm mrad
假設兩種單基模（或者多模M2相同的情況下）激光器聚焦后，發(fā)散角一致，則CO2激光器的焦點直徑是光纖激光器的10倍。
M2越接近于1，表示激光器的光束質量越好。
在激光光束處于高斯分布或近高斯分布時，M2因子越接近于1，則表明實際激光越接近于理想狀態(tài)高斯激光，則光束質量越好。

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