在激光器的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過(guò)程中，光束質(zhì)量是衡量激光光束優(yōu)劣的一項(xiàng)重要指標(biāo)。在激光發(fā)展過(guò)程中，針對(duì)不同的應(yīng)用目的，曾用多種參數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)光束質(zhì)量，例如聚焦光斑尺寸、遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角等等。但是由于激光束經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)后，束腰尺寸和發(fā)散角均可以發(fā)生改變，減小腰斑半徑必然會(huì)使發(fā)散角增大，因此單獨(dú)使用發(fā)散角或腰斑尺寸來(lái)評(píng)價(jià)光束質(zhì)量是不科學(xué)的。為了克服常用光束質(zhì)量評(píng)價(jià)方法的局限性，近年來(lái)國(guó)際光學(xué)界發(fā)展出一種表征激光光束質(zhì)量的參量——品質(zhì)因子M2

光束質(zhì)量是激光束可聚焦程度的度量。描寫(xiě)激光光束品質(zhì)因子的M2定義為：

式中，w 和 w0 分別為實(shí)際光東和基橫模高斯光束的束腰半徑;0和00,分別是實(shí)際光束和基橫模高斯光束的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角。從定義中可以看出M2因子是以理想高斯光束即基橫模TEM00的作為比較標(biāo)準(zhǔn)的。

基橫模高斯光束的束腰半徑和遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角的表達(dá)式如下:

式中，入為光波波長(zhǎng)，L為激光器的腔廠,不難看出，基橫模高斯光束的束腰半徑和遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角的乘積為一個(gè)常量

即使采用各種光學(xué)變換方法，例如聚焦或準(zhǔn)直來(lái)減小東腰半徑或者壓縮遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角，w000也總是個(gè)常量，因此束腰半徑與遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角的乘積反映了基橫模高斯光束的固有特性，這樣就避免了只用光斑尺寸或只用發(fā)散角作為光束品質(zhì)判據(jù)所帶來(lái)的不確定性，作為比較的標(biāo)準(zhǔn)，基橫模高斯光束的M2=1。也就是說(shuō)，基橫模高斯光束有最好的光束品質(zhì)。

由厄密-高斯函數(shù)表征的高階高斯光束用TEMmn來(lái)表示，其中，m和n分別表示場(chǎng)在x和y方向的節(jié)線數(shù)，不同 m 和n的模具有不同的橫向場(chǎng)分布，稱(chēng)為橫模，當(dāng)m=0且n=0時(shí)，對(duì)應(yīng)TEM00如模式，稱(chēng)為基橫模。高階厄密-高斯光束在x和y方向上的M2分別為:

顯然，高階厄密-高斯光束的M2大于基橫模的M2。并且隨著模階數(shù) m 或n的增加，其光腰半徑及發(fā)散角與基橫模高斯光束相比偏差越來(lái)越大，光腰半徑與遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角之積越大，光東質(zhì)量也就越差。

由拉蓋爾-高斯函數(shù)表征的高階高斯光東也用TEMmn來(lái)表示，m 表示光束沿徑向的節(jié)線圓的數(shù)目n 表示光束沿福角方向的節(jié)線數(shù)目，其品質(zhì)因子M2=m+2n+1

同樣，隨著模階數(shù) m或n的增加，其光腰半徑及發(fā)散角與基模高斯光束相比偏差越來(lái)越大光腰半徑與遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角之積越大，光束質(zhì)量也就越差。

審核編輯 黃宇