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    激光光束質量的表征
           光束質量是激光的重要性能參數,激光光束質量常用的三種表達方式分別是M2、KF和BPP。M2、KF和BPP和是基于相同的物理概念得出的,各表達方式之間可以相互換算。
           激光光束質量重要的原因是因其為判斷激光器好壞,以及是否進行精密加工的一個重要物理參量,對于很多單模輸出的激光器,高品質的激光通常具有較高的光束質量,其對應的M2應該越小,如1.03。而且激如果光器能夠在使用壽命內能保持很好的光束質量,M2數值是變化不大的。對于激光精密加工,高光束質量的激光光束更有利于整形,從而進行不損傷基底,實現沒有熱效應的平頂激光加工。在實際使用中,標注激光器光束質量參數時,依據GB/T 15715標識M2的情況較多。
          表征激光光束質量時依據不同使用者習慣M²很多時候也寫成M2,所以也讀作M平方或M2。下圖是高斯光束分布的縱向分布圖,其中束腰半徑W,遠場發散角半角為θ。



    BPP和M2換算

            BPP(Beam Parameter Product),BPP中文名稱是光束參數乘積,定義為束腰半徑 × 遠場發散角BPP=W×θ
            高斯光束的遠場發散角半角: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)
            由以上公式不難發現,其中BPP與波長是無關的,而M²因子與激光波長有關。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,對應的發散角度越小。

     

    光束質量BPP和M2的測量

            對于光束質量的測量,可以利用光束質量分析儀,而使用光斑分析儀配合復雜的操作也能實現,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,則無法測量不確定度就偏大。而對于高功率測量,則需要有效的衰減系統,使激光功率保持在可測量的范圍內,避免功率過高損壞探測儀器。

           
            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)


    BPP和M2數值與光束質量好壞的小結:

           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高斯激光,光束質量越好。




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