在激光科学中,参数M 2也称为光束传播比或光束质量因数,是衡量激光光束质量的指标。它表示光束与理想高斯光束的变化程度。[1]由光束的光束参数积(BPP)与相同波长的高斯光束的光束参数积(BPP)之比计算得出。它将激光束的光束发散度与可实现的最小聚焦光斑尺寸联系起来。对于单模TEM 00(高斯)激光束,M 2正好是一。与光束参数乘积不同,M 2无单位且不随波长变化。
激光束的M 2值作为规格广泛应用于激光行业,并且其测量方法被规定为ISO标准。
有多种方法可以定义光束的宽度。当测量光束参数乘积和M 2时,可以使用光束的D4σ或“二阶矩”宽度来确定光束腰部的半径和远场的发散度。M 2可以通过在用高光学质量和已知焦距的透镜聚焦后将阵列探测器或扫描狭缝轮廓仪放置在光束内的多个位置来测量。为了正确获得 M 2,必须遵循以下步骤:
测量梁腰附近(梁最窄的位置)5 个轴向位置的 D4σ 宽度。
测量距腰部至少 1 个瑞利长度的5 个轴向位置处的 D4σ 宽度。
将 10 个测量数据点拟合为
这里W(z)是一半D4σ和光束宽度和和0z0是梁腰的位置与宽度在0Wo,拟合 10 个数据点得出 M2 、Zo和Wo,Siegman
表明,所有光束轮廓(高斯光束、平顶光束、TEMxy光束或任何形状)都必须遵循上述方程,前提是光束半径使用光束宽度的 D4σ 定义。
使用其它波束宽度定义不起作用。
M 2很有用,因为它反映了准直激光束可以如何聚焦到小点,或者发散激光源可以如何准直。与高斯外观相比,它是更好的光束质量指南,因为在许多情况下,光束可能看起来呈高斯分布,但 M 2值却远非统一。同样,光束强度分布可能看起来非常“非高斯”,但 M 2值接近于 1。
光束的质量对于许多应用都很重要。在光纤通信中,需要M 2接近 1 的光束才能耦合到单模光纤。
M 2决定给定直径的准直光束可以聚焦的紧密程度:焦点的直径随着M 2的变化而变化,辐照度的比例为1/M 4。对于给定的激光腔,输出光束直径(准直或聚焦)为 M,辐照度为 1/M 2。这在激光加工和激光焊接中非常重要,因为激光加工和激光焊接依赖于焊接位置的 高能量密度。
一般来说,M 2随着激光器输出功率的增加而增加。由于激光增益介质中的热透镜效应,很难同时获得优异的光束质量和高的平均功率。
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