随着激光在钢铁、汽车、电子、航空、机械制造、石油、化工、军事等工业领域及科学研究中的广泛应用，激光及相关产业进入高速发
展期，要研究激光和应用激光就必须能够对激光的特性参数进行准确测量。对激光器主要参数的计量测试是激光技术发展的一个重要方
面，但是长期以来，评估光束质量的参数越来越多，如：聚焦光斑直径、瑞利长度、发散角、光束参数乘积、M2因子等，不同的评估
标准和测量方法得出的结论相差很大, 针对不同应用目的提出多种参数以评价激光束的光束质量。本文主要介绍部分描述光束质量的参
数及其计算方法。
光斑尺寸：
对光束束宽的定义有以下几种方法：
1）1/n定义法
在光强分布曲线上，相对光强为峰值光强的1/n处的两个点之间的距离定义为光束的束宽，一般n取值为e2或e，实际上是按照光强分布
定义的。
2）功率定义法
在光强分布曲线上，占总功率能量的η处至峰值处距离定义为束宽w（z），常用的η有86.5%，63%。
3）刀口法
按能量来定义束宽，对应 10%和 90%能量截断点间的距离定义为束宽，可避免“1/n”方法用于计算无规则光束的困难，能用于计算
无规则的和光束质量极差的光束的束宽。
4）二阶矩定义法
直角坐标系中，在 z 处 x、y 方向的束宽wx，wy按二阶矩方法定义为：
束宽 ω(z)随坐标z按双曲线
规律向外扩展，z=0 时，ω(0)为最小值 ，ω0称为束腰。
瑞利长度：
高斯光束的波阵面在束腰位置处为平面波，波阵面是由此开始传播的。波阵面从束腰位置向前传播，逐渐变成曲面，直到等相面曲率半
径达到最小，此后变平。从束腰到达最小曲率半径位置两者之间的距离就称为瑞利范围，其大小由Z0 来表示称为瑞利尺寸。在Z0≤Z
范围内高斯光束可以近似认为是平行光束，光束的瑞利长度越大则准直性越好。
发散角：
一般用发散角描述激光的发散度，有多种方式去测量激光束的发散度，我们在这里描述两种激光束发散度的测量方法。
方法1：
使用一个已知焦距的透镜测量远场激光束发散度，显然完全发散θ=D/f，D是焦点位置的束腰半径，f是焦距。
图1 发散角测量原理图
通过将CinCam分析仪放置在焦距处，并且直接在软件RayCi上输入焦距，就很容易实现光束发散度的测量。
图2 Cinogy公司测量软件界面
方法2：
通过直接计算光束路径中的几个位置的光束尺寸进行测量，发散度由公式θ=2arctan[（D1-D2）/2L]算出，D1、D2是不同位置的光斑
直径，L是两个被测光斑之间的距离。
图3 发散角测量原理图
图4 Cinogy公司测量软件界面
M2因子
在激光科学中，参数M²也称为光束质量因子，表示光束到理想高斯光束的变化程度。它由光束的光束参数乘积(BPP)与相同波长的理想
高斯光束的光束参数乘积(BPP)之比计算而得。它将激光束的发散度与能够达到的最小聚焦光斑大小联系起来。对于单模TEM00(高斯)
激光束，M²为1。
光束质量在很多应用中是重要的评价标准，在光纤通信中，为了与单模光纤耦合，需要M²因子接近1的光束。M²决定了已知直径的准
直光束聚焦的紧密程度，焦点的直径跟随M²和辐照度的变化而变化，这在激光加工和激光焊接中是非常重要的，因为它决定了焊接位
置的高能量密度。
ISO标准规定了一种计算M²的方法，测量一组光束的直径，最大限度地减少误差来源。以下是主要步骤:
- 用无像差透镜聚焦。
- 使用ISO标准中详细的回归方程来拟合双曲线到X轴和Y轴的数据点，通过最小化测量误差来提高计算的准确性。
- 从拟合曲线中提取每个轴的θ、R、W0和M2的值。ISO标准还提出了一些关于直径测量的额外规则(特别是当使用ccd或cmos阵列传感器时):
- 用直径的三倍作为计算区域。
- 在进行测量之前一定要去除背景噪声。
部分产品介绍：
对于激光光束质量检测的相关仪器，目前比较成熟的方案提供商为我司独家代理的德国CINOGY公司，针对不同的测量对象，我司提供
不同的检测仪器。
CinSquare是一款紧凑的全自动化工具，用于测量从紫外到短波红外光谱范围的连续波和脉冲激光系统的光束质量（M2因子）。该系
统由一个固定聚焦透镜、机械平台、CinCam光束质量分析仪组成。固定聚焦透镜位于一个机械平台前面，该平台携带着基于相机的
CinCam光束质量分析仪，其运行的稳定性和可靠性确保了在工业、科学、研究和开发中的持续应用。
图5 CinSquare系列产品
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