下载文档原格式
第３６卷第７期２００９年７月国激光ＣＨＩＮＥＳＥＪＯＵＲＮＡＬＯＦＬＡＳＥＲＳ中Ｖ０１．３６，Ｎｏ．７Ｊｕｌｙ，２００９文章编号：０２５８—７０２５（２００９）０７—１６４３一ｉｉ激光光束质量综合评价的探讨冯国英１周寿桓１’２（１四川大学电子信息学院，四川成都６１００６４；２华北光电技术研究所，北京１０００１５）摘要综述了现有的３类激光光束质量评价方法，即近场质量、远场质量和传输质量。
主要的评价参数包括近场调制度和对比度、聚焦光斑尺寸、远场发散角、衍射极限倍数口因子、斯特列尔比、环围能量比以及肝因子等。
讨论了它们各自的适用范围、优点和局限性。
提出了采用胼因子矩阵以表述光束的像散特性，给出了Ｍｚ因子的不变量。
关键词激光技术；光束质量；膨因子；口因子文献标识码Ａｄｏｉ：１０．３７８８／ＣＪＬ２００９３６０７．１６４３中图分类号ＴＮ２４８．１ＤｉｓｃｕｓｓｉｏｎｏｆＣｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅＥｖａｌｕａｔｉｏｎＦｅｎｇＧｕｏｙｉｎ９１ｏｎＬａｓｅｒＢｅａｍＱｕａｌｉｔｙＺｈｏｕＳｈｏｕｈｕａｎｌ＇２，１ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ＆ＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｉｃｈｕａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ，Ｓｉｃｈｕａｎ６１００６４，Ｃｈｉｎａ、＼２ＮｏｒｔｈＣｈｉｎａＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＥｌｅｃｔｒｏ－Ｏｐｔｉｃｓ，Ｂｅｒｉｎｇｑｕａｌｉｔｙｓｕｃｈａｓ１０００１５。
Ｃｈｉｎａ／ＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｒｅｅｔｙｐｅｓａｒｅｏｆｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｎｌａｓｅｒｂｅａｍｎｅａｒ－ｆｉｅｌｄｑｕａｌｉｔｙ，ｆａｒ—ｆｉｅｌｄｑｕａｌｉｔｙ，ａｎｄｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎｑｕａｌｉｔｙｓｐｏｔｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｉｎｃｌｕｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｒａｔｉｏａｎｄｃｏｎｔｒａｓｔｒａｔｉｏｏｆｎｅａｒ—ｆｉｅｌｄ，ｆｏｃｕｓｅｄｓｉｚｅ，ｆａｒ－ｆｉｅｌｄｄｉｖｅｒｇｅｎｃｅａｎｇｌｅ，ｔｉｍｅｓｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎｌｉｍｉｔｅｄｆａｃｔｏｒ８，Ｓｔｒｅｈｌｒａｔｅ，ｅｎｅｒｇｙｃｉｒｃｌｅｔｈｅｍｒａｔｅ，Ｍ２ｆａｃｔｏｒ。
激光束质量评估与控制方法激光技术作为一种重要的光学技术应用，已广泛应用于制造、通信、医疗等领域。
在激光器的使用过程中，激光束的质量是评估其应用效果的重要指标之一。
激光束的质量直接影响着其聚焦能力、功率分布以及传输稳定性。
因此，为了确保激光技术能够发挥最佳效果，科学家们一直致力于激光束质量评估与控制方法的研究。
激光束质量评估可基于激光束直径、发散角以及功率分布等指标进行。
具体的方法有以下几种。
首先，通过测量激光束直径来评估其质量。
测量激光束直径可以通过使用热能探测器、功率测量仪器、相机等设备来进行。
常用的方法有刀片扫描法、束压法和剥蚀法等。
这些方法通过测量激光束在不同位置上的功率分布，进而推断出束直径与功率分布之间的关系。
根据这些数据，可以计算出激光束直径以及相应的质量参数。
其次，激光束的发散角也是评估激光束质量的重要指标之一。
激光束发散角度越小，表示激光束的质量越好。
通常情况下，使用半角度来描述激光束的发散性能。
测量激光束发散角可以使用光学测量装置，比如张力光栅方法或用于测量平面波前的自适应光栅干涉方法。
这些方法可以在测量平面上检测激光束的相位和幅度分布，从而计算出激光束的发散角。
另外，激光束的功率分布也是评估激光束质量的重要参数。
激光束的功率分布可以反映激光束的聚焦能力、光斑形状等信息。
通过使用功率探测器以及光学仪器，可以测量激光束在空间上不同位置的功率分布，进而评估激光束的质量。
常见的方法有平坦探测法和扫描极化子吸收率方法等。
这些方法通过测量激光束在探测器上产生的信号强度，可以获得激光束的功率分布。
在激光束质量控制方面，科学家们也提出了一系列的方法。
首先，通过优化激光器系统来控制激光束的质量。
例如，可以进行激光谐振腔优化，通过调整激光器内的反射镜位置、增加补偿光学元件等方法来改善激光束的质量。
另外，还可以优化光学器件的设计，改善激光束的传输稳定性和光斑形状。
这些控制方法可以从源头上减小激光束的质量缺陷。
光束质量整形与质量诊断研究作者：刘海勇许丽萍来源：《电子技术与软件工程》2015年第09期摘要几十年来激光光束质量的整形技术与质量评价方法不断丰富扩充，先进的技术和科学的方法为激光光束质量提供了更为有效的保障。
本文针对半导体激光器，总结论述了其光束质量整形与质量评价的方法和技术，旨在为相关工作提供参考借鉴。
【关键词】半导体激光器激光光束质量整形质量评价自上个世纪七十年代以来，半导体激光器被广泛应用于科研、工业等领域，具有轻巧、高效、稳定的优点，尤其是高功率半导体激光器的泵浦产生的光纤激光光束质量好、功率大，受到了越来越多的关注。
然而半导体激光器才存在内在的缺陷，限于其工作原理，产生的激光水平、垂直方向的光束质量存在很大差异，束腰位置不一致，平行于p-n结方向的慢轴方向光束质量差，这极大的制约了半导体激光器的应用，必须采取有效的整形技术解决这一问题，满足接收元件对光束质量的要求。
下文将详细介绍半导体激光器光束质量的整形与评价方法。
1 半导体激光器光束质量整形方法新世纪以来，为了更好的满足信息社会信息传输、处理、存储的需求，半导体激光器向高速宽带、大功率、短波长等方向发展，并已取得了一系列成果。
激光技术的应用中光束质量至关重要，无论是医学临床应用，还是军事应用、工业应用，都对光束质量要求较高，光束质量直接影响激光器性能的发挥，更影响到应用的水平和范围。
基于半导体激光器光束质量差、功率密度低的考虑，必须采油切实有效的整形技术来加以改善。
半导体激光器光束整形系统的关键在于慢轴光束质量的改善和快轴光束的准直，光束整形的基本原理是切割、旋转、重排光束，减小慢轴上的光参数积，来平衡快慢轴的光参数积，并借助微柱透镜等手段来调整快轴光束保证准直。
现今存在的整形技术种类繁多，下文将列举较为先进、常用的技术方法，分析其原理和特点。
1.1 光纤转换器技术光纤转换器是最为简单的一种光束整形技术，其技术原理是用光学阵列分割光束，光纤靠近半导体激光器的一端按线阵列另一端按束状排列。
论文书脊（此页只是书脊样式，学位论文不需要印刷本页。
）（博士学位论文题目）国防科学技术大学研究生院Study of Evaluating and Measuring LaserBeam QualityCandidate：He YuanxingSupervisor：Prof. Jiang WenhanProf. Li XinyangA dissertationSubmitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Engineeringin Optics EngineeringGraduate School of National University of Defense Technology Changsha，Hunan，P.R.ChinaOctober，2012目录目录 (I)表目录 (VI)图目录 ................................................................................................................... V II 摘要 . (i)Abstract (iii)第一章绪论 (1)1.1 研究背景 (1)1.2 常见的激光光束质量评价指标 (3)1.2.1聚焦光斑尺寸和远场发散角 (4)1.2.2光束传播因子M2 (4)1.2.3峰值斯特列尔比 (4)1.2.4环围能量斯特列尔比 (5)1.2.5环围能量比 (5)1.2.6光束传输因子 (5)1.2.7光束质量β因子 (6)1.2.8评价指标小结 (6)1.3 激光光束质量测量的主要方法 (7)1.3.1扫描法 (7)1.3.2感光法 (10)1.3.3烧蚀法 (10)1.3.4阵列探测法 (10)1.3.5近场反演远场方法 (11)1.4 论文研究内容及研究意义 (12)第二章基础理论介绍 (14)2.1 经典标量衍射理论 (14)2.1.2柯林斯公式 (16)2.1.3圆环形平面光束的夫朗和费衍射 (17)2.1.4方环形平面光束的夫朗和费衍射 (19)2.2 畸变光束波像差的描述方法 (20)2.2.1波像差的泽尼克多项式描述 (20)2.2.2大气湍流随机相屏的产生方法 (23)2.3 本章小结 (24)第三章激光光束质量评价方法研究 (25)3.1 光束传输因子M2适用性分析 (25)3.1.1稳定腔高斯光束 (25)3.1.2非稳定腔环形光束 (27)3.1.3多路高斯光束的合成光束 (27)3.2 激光光束质量评价指标关键问题分析 (29)3.2.1理想参考光束和规范桶（规范能量比）的惯用取法 (29)3.2.2理想参考光束的选择问题探讨 (30)3.2.3规范桶（规范能量比）的选择问题探讨 (34)3.3 激光系统性能评判的核心特征量 (35)3.3.1现有评价激光远场能量集中度指标存在的问题 (35)3.3.2激光系统核心特征量 (37)3.3.3不同激光系统间性能优劣评判 (37)3.4 本章小结 (44)第四章激光通过大气湍流介质的远场传输计算方法 (45)4.1 激光通过大气湍流介质远场传输问题的理论计算 (45)4.1.1激光传输系统调制传递函数及远场光强分布模型 (45)4.1.2截断高斯光束通过大气湍流的远场传输计算 (48)4.1.3圆环形光束通过大气湍流的远场传输计算 (49)4.2.1残留相位结构函数 (53)4.2.2截断高斯光束的相位补偿效果分析 (55)4.2.3圆环形光束的相位补偿效果分析 (58)4.2.4圆环形光束的远场长曝光和短曝光光斑质量的定标关系 (61)4.3 高斯光束通过大气湍流远场传输的最优截断分析 (64)4.4 总系统与分系统间光束质量关系的一点讨论 (68)4.4.1总系统与分系统间光束质量的关系 (68)4.4.2一个简单的验证例子 (71)4.5 本章小结 (72)第五章基于CCD相机测量激光光束质量的误差分析 (74)5.1 光束质量评价参数计算公式 (74)5.2 光束质量评价参数测量误差源 (76)5.3 光束质量评价参数测量误差公式 (76)5.3.1光束质量评价参数测量系统误差 (77)5.3.2光束质量评价参数测量随机性误差 (78)5.3.3光束质量评价参数测量总误差 (79)5.4 计算光束质量评价参数的阈值方法 (80)5.5 计算结果及阈值选取 (82)5.5.1光束质量评价参数测量误差仿真计算模型 (82)5.5.2理论和仿真计算结果 (85)5.5.3阈值的选择 (88)5.6 本章小结 (91)第六章CCD光电响应非线性特性的标定方法及其对远场测量的影响分析 (93)6.1 标定方法理论依据 (94)6.2 CCD光电响应特性的实验标定 (95)6.2.1光栅标定系统结构 (95)6.2.3标定方法和步骤 (97)6.2.4实验标定结果及分析 (98)6.3 CCD光电响应非线性特性对激光远场参数测量的影响 (100)6.3.1仿真模型建立 (101)6.3.2 CCD光电响应非线性饱和效应的影响分析 (103)6.3.2 CCD存在响应“死区”的影响分析 (105)6.3.4 CCD存在响应“死区”和不存在“死区”的比较 (106)6.3.5消除和减小CCD非线性响应影响的方法 (108)6.4 本章小节 (109)第七章基于多焦斑重构原理的激光远场测量方法研究 (112)7.1 拓展CCD测量动态范围的方法概述 (112)7.2 基于衍射光栅分光特性的激光远场测量方法研究 (114)7.2.1方法基本原理 (114)7.2.2方法适用性分析 (117)7.2.3泽尼克像差对应远场光斑的重构仿真 (123)7.2.4测量方法的实验验证 (129)7.3 基于正交光楔分光特性的激光远场测量方法研究 (135)7.3.1方法基本原理 (135)7.3.2方法验证模型 (137)7.3.3测量方法的实验验证 (138)7.4 拓展CCD测量动态范围上限的讨论 (144)7.5 本章小结 (145)第八章总结与展望 (147)8.1 本论文的主要研究内容和结论 (147)8.2 本论文的主要创新点 (149)8.3 后续工作展望 (150)参考文献 (153)作者在学期间取得的学术成果 (161)表目录表2. 1零级衍射角半径 (18)表2. 2一级衍射环角半径 (18)表2. 3二级衍射环角半径 (19)表2. 4中心衍射暗环角半径 (20)表2. 5泽尼克多项式排布方式（n≤10） (21)表3. 1 v=0时不同发射环数相干合成光束BPF值 (34)表3. 2 不同理想光束在规范桶半径及规范能量比 (35)表3. 3影响激光系统最终性能的因素 (36)表5. 1 CCD探测噪声源及其统计特性 (76)表5. 2不同环境背景光噪声对应的最优阈值 (89)表5. 3不同CCD背景暗电平对应的最优阈值 (89)表5. 4不同CCD读出噪声对应的最优阈值 (90)表6. 1光栅参数 (97)表7. 1仿真参数 (124)表7. 2两套激光远场测量系统参数对比 (131)图目录图2. 1平面光瞳的衍射示意图 (14)图2. 2圆环形平面光束的夫朗和费衍射花样沿径向的分布 (18)图2. 3方环形平面光束的夫朗和费衍射花样沿x方向的分布 (20)图2. 4各阶泽尼克像差示意图（n≤7） (22)图3. 1低阶拉盖尔-高斯光束所对应的远场PIB曲线 (26)图3. 2六路基模高斯光束合成光束的近场和远场光强分布 (28)图3. 3相干合成和非相干合成光束远场PIB曲线比较 (28)图3. 4不同类型单路激光束的远场环围能量（PIB）曲线 (31)图3. 5相同孔径大小的截断高斯光束和均强平面光束的远场PIB曲线比较 (31)图3. 6截断高斯光束T BPF随截断系数的变化 (32)图3. 7截断高斯光束远场PIB曲线 (32)图3. 8合成激光的空间布局 (33)图3. 9相干合成光束与均强平面光束远场PIB曲线比较 (33)图3. 10不同类型理想光束的远场环围能量曲线及环围平均能量密度曲线。
光束质量m2物理意义1. 光束质量m2的定义光束质量m2（beam quality factor）是用来描述激光光束束形的参数，它跟光束尺寸以及焦点尺寸有关，是激光光束稳定性和束形好坏的量化表示。
当光束质量m2越小，光束的聚焦度越高，能量密度越大，光束质量越大，光束的聚焦度越差，能量密度越小。
2. 光束质量m2的物理意义光束质量m2反映了光束在光学系统中聚焦程度以及在传输过程中的合焦程度，它是光束发散和收缩能力的重要量化表征。
光束质量m2越小，说明光束的瞄准精度越高，光束实际到达的目标面积越小，光束的能量密度越大，光束的照射效果越好，这在许多激光应用中非常重要。
比如在医疗、制造、加工领域中，光束的精度和质量对系统性能影响很大。
3. 光束质量m2的计算方法光束质量m2的计算方法比较复杂，一般需要通过激光束光点、光强分布、自聚焦长度等相关参数进行理论计算，但是实验测量也是常用的方法。
在实验测量过程中，光束通过一系列光学元件（如透镜组、棱镜、反射镜等）后，通过附带的光束展扩器将光束变大，然后通过另一组透镜组对光束进行聚焦，记录输出光束尺寸和光强分布等相关数据，通过计算可以得到光束质量m2的具体数值。
4. 光束质量m2的应用光束质量m2广泛应用于激光加工、激光制造、医疗等领域。
在激光加工中，光束质量M2是一个非常重要的参数，它可以用来评估合适的加工深度以及光斑质量，从而提高加工效率和产品质量。
在医疗领域中，光束质量m2也是非常重要的，对于激光美容、手术等领域，光束的精度和质量直接影响到治疗效果和安全性，因此需要高质量、精密的光束系统。
5. 结论光束质量m2是非常重要的激光束参数，它能够描述激光束在光学系统中聚焦程度以及在传输过程中的合焦程度，是激光束的稳定性和束形好坏的量化表现。
在实际应用中，我们需要根据实际需求来选取合适的光束质量m2，以达到最好的加工、制造、医疗效果。
