激光束质量和 M2 测量初学者指南

激光理论告诉我们,通过设计,大多数激光束应该具有高斯光束形状。高斯光束的基模 (TEM00) 是大多数激光系统设计者希望实现的理想,主要原因有三个:

  1. 它的强度在光轴上最大,使光功率和强度很好地集中;
  2. 它的发散度最低,所以常常被当作一束不变宽的细光线;
  3. 它的衍射受限,这意味着当聚焦时,束腰是特定波长下可以获得的最小束腰。

但是在现实生活中,没有什么是完美的,遗憾的是,一束具有 TEM00 轮廓和无限扩展的钟形曲线的纯高斯光束从未实现。

您可能会想(很多人也这么想),现实生活中的激光离完美还有多远?在本指南中,我们将向您介绍使用 M2 参数测量激光束质量的概念,该参数量化激光束质量,以及如何测量真实激光的 M2。

我们如何定义激光束质量?

第一批激光器是在上世纪 60 年代制造的,但直到上世纪 90 年代初,Anthony E. Siegman 才提出了一种标准测量方法,用于测量激光束与理想高斯光束的差距,或者说,测量激光束的质量。

基本上,它归结为检查真实束腰和发散度与相同波长的理想高斯光束相比如何。

m2 beam measurement chart

光束参数乘积 (BPP) 是某些人使用的一种激光束质量指标,它被定义为光束的最小半径(束腰半径,w0)与光束在远场测量的发散半角 (θ) 的乘积。BPP 的计量单位为 mm-mrad:

BPP = θ w0

对于给定的波长,理想的高斯光束具有最小的 BPP。由于我们知道 θideal = λ / (π w0,ideal ),所以,理想光束的 BPP 简化为 BPP ideal= λ / π。虽然计算简单,但 BPP 不是比较一种激光和另一种激光的最佳工具,因为它的理想值随波长而变化。

Siegman 提出的是用一个无量纲的值来表示激光束的质量,即将一个真实激光的 BPP 和一个理想激光的 BPP 分开。因此,我们得到了一个比值,它表明激光束离理想的高斯光束有多近,Siegman 称这个值为 M2(发音为m 平方)。

M2 = π θ w0 / λ

M2 的一个优点是,它是无量纲的(即没有测量单位),这使得比较不同的激光更简单。另一方面,这有点违背直觉,但是 M2 值越低,质量越好。事实上,最好的结果是 M2 = 1,随着 M2 值的增加,激光的质量下降。

为什么知道激光的光束质量很重要?

一旦定义了 M2 系数,就有可能将其注入广义高斯光束传播的方程中。当您知道激光的 M2 系数时,这些方程描述了真实激光束是如何传播的,它能聚焦多紧,发散多快。

知道激光的 M2 值后,您将了解激光束能聚焦多紧。当您使用激光进行制造或成像时,紧紧地聚焦激光束尤其重要,因为较小的束腰意味着可以达到更高的功率密度和更好的分辨率。

在使用光纤的系统中,寻找 M2 值接近 1 的激光以实现与单模光纤的良好耦合也是常见的做法。实际光束的束腰定义为:

equation to measure the quality of your laser beam

从上面的等式中可以看出,M2 值较低的激光束比 M2 值较高的激光束聚焦得更紧。

光束质量测量还可以让您知道激光束将如何发散。当知道光束的发散度时,便可以预测激光束在几乎任何空间点的大小。实际光束的光束半径定义为:

m2 beam measurement formula

实际激光的远场发散度定义为:

laser beam measurement - m2 quality

在上式中,您可以看到,M2 值高的激光比 M2 值低的激光发散得更快。激光器制造商喜欢在他们的规格中提供 M2 系数,因为它让用户知道使用他们的激光器的难易程度。

如何计算 M2

Siegman 的提议因其简单性而广受欢迎,但从实验上看,它并不那么简单,这些原则也带来了一些不确定性。例如,如果您想在实验室测量束腰半径,如何确保测量设备准确定位在焦点上?

在远场测量散度时,需要走多远?这两个数据点是否足够?国际标准化组织 (ISO) 的成员决定结束这种混乱,所以他们写了一个规范来解释如何正确地测量和计算 M2ISO 11146.

该 ISO 规范解释了一种从一组光束直径测量值中计算 M2 的方法,以最大限度地减少误差源。以下是主要步骤:

  1. 从准直光束开始
  2. 用无像差透镜聚焦
  3. 在焦点周围的不同位置测量光束直径:至少取 10 个数据点,大约一半在焦点的第一个瑞利距离内,另一半超过 2 个瑞利长度。measure laser beam quality with m2
  4. 使用规范中详细说明的回归方程,在 X 轴和 Y 轴上将双曲线拟合到数据点。这通过最小化测量误差来提高计算的准确性。
  5. 从该拟合中,提取每个轴的 θ、w0、z和 M2 值。

该 ISO 规范还规定了一些关于直径测量的额外规则(特别是当使用阵列传感器时,例如 CCD 或 CMOS 传感器):

  • 确保直径内至少有 10 个像素。
  • 使用 3 倍于直径的感兴趣区域。
  • 使用 D4σ 定义(二阶矩宽度)计算直径。
  • 进行测量前,务必消除背景噪音。

测量激光束质量需要什么设备?

最基本的操作,您需要的只是一个透镜、一个光束轮廓仪、一把尺子。您可以阅读我们的应用笔记,其中逐步解释了如何使用这些基本工具测量光束轮廓质量,并使用我们的免费软件计算激光束质量结果。

虽然便宜,但这种方法很费时,所以您必须确保激光足够稳定,这样它的 M2 值才不会在您进行各种直径测量时波动!提高采集速度的一个简单方法是,将光束轮廓仪安装在电动平移台上,并自动采集。

在移动台的情况下,设置您的系统和自动化例程可能需要一段时间,因此您可以节省大量时间和精力,因为我们已经为您做了一切!我们的 Beamage-M2 自动激光束质量测量系统比上述内容更进一步,它非常容易设置,第一次测量 M2 值时,几分钟即可设置完毕,一旦设置完成,随后可在一分钟内开始测量。

M2 测量是否适合您?

既然您对激光束质量测量有了更多的了解,您就会更明白您是否真的需要测量它。请记住,M2 是一个指标,它表示激光束有多接近理想的 TEM00 高斯光束。

举例来说,如果您想开发一种像 Bessel 光束这样具有非衍射光束的激光器,或者是具有环形轮廓的高阶高斯光束,那么 M2 可能不是一个好的指标。

就是这样!您现在理解了 M2 测量的基本原理…还有问题吗?欢迎在下面发表评论或联系我们,我们将很乐意回答!


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