激光光束质量的新概念.pdf

激光光束质量的新概念
谢正华
(师范学院物理教育系物理学专业)
1 引言
自从激光器产生以来,激光光束质量的评价就一直受到人们的重视,光束质量是激光
器的一项重要技术性能指标,它是激光束定向传输能力或聚焦焦斑能量集中程度的量度。
由于实际激光器中采用的谐振腔形式多种多样,因此我们可以获得的激光器输出光束千差
万别,在这许多不同的输出光束中,如何建立一种统一的评价标准,是一个非常值得研究
的课题。
在激光发展的历史上,各方面人员根据各自不同的应用目的,提出过不同的参数作为
衡量光束质量优劣的标准,也相应地形成了多种测量方法,但就是没有对所有激光束都适
用的统一的标准和方法,不同厂家生产的激光器标出的光束空间参数互不一致,这一状况
既影响了激光器的进一步推广,也影响了激光器性能的提高。为了改变这种情况,国际标
准化度量局(ISO)91 年公布了光束质量标准草案[1],提出了新的评价方法,即以光束传输
因子 M2 参数来评价光束。
光束质量的定义和测量方法缺乏统一标准,对激光学术交流以及激光产品供销都是一
种障碍。本文就历史上关于激光光束质量描述和评价的一些主要方法进行阐述和比较,并着
重探讨了新概念(M2 参数)的物理内涵,及其在实际应用中的优劣。
2 描述光束质量的各种物理量
激光的本质特性是什么,用什么样的参数来表征它最合适,这是我们激光工作者都很
关心的问题。这个最本质的特性,我们暂且称它为激光束的质量。也就是说,我们能否在
众多的量中抽取一个参数来描述(或表征)激光束的质量呢?如果能的话,这个参数必须有
具体的量值表示,应该是从完整描述光波的无穷多信息中抽取组合成的最能反映光束特征、
最具有物理內涵的一个量值,且其定义应该遵循下列一些判据:(1)在概念尽可能简单的
前提下,其定义必须严格且普遍,可应用于无规的或多模激光束;(2)可表示光束远场发
散特征和光束高阶模含量;(3)可为光学传输系统的设计提供依据;(4)对实际激光束,
其测量应较为简单;(5)应可被方便地用于光学系统的设计计算。
这些判据,都是在研究激光的过程中,根据理论上和实际应用的需要而提出来的,只
有满足所有这些判据的参量,才是我们所寻找的最佳参量。
从 1960 年产生第一台激光器以来,激光工作者一直在寻找这样一个参量。下面,我们
来分别对曾经使用过的各量进行分析,看看其作为衡量光束质量的实际应用价值。
远场发散角和光束束宽
我们都知道,激光束具有一定的发散性质,发散程度用发散角表示,老的光束发散角
(半角)定义为[2] :
dw λ/πw
θ= (z) = 0
(z)
dz []+ π 2 λ 1 2
1 ( w0 / z)
λ
其中 w(z)为坐标点 z 处的光斑半径, w0 为光腰半径, 为激光波长。
它一定程度上反映了光束方向性和能量集聚程度的好坏。但它的定义依赖于光束
束径的定义,因为发散角的测量都可归结为光斑半径的测量,而光斑半径的测量存在着不
少根本性的缺陷,其中之一是光斑半径不存在轴向束宽变化的解析表达式,其中之二是它
不适用于存在尖峰(Hot—Spots)和凹陷(Nulls)的光束,由此定义所得的光束质量有可
能会导致严重偏离