[发明专利]一种光束质量因子M2

说明书

本发明属于光束质量因子M²测量技术领域，并具体公开了一种光束质量因子M²快速测量装置及方法。所述装置包括待取样装置、变焦装置、光斑测量装置和数据处理装置，根据所述变焦装置的焦距以及所述变焦装置在不同焦距下所述光斑测量装置实时采集和测量的光斑大小计算待测激光源的光束质量因子M²。所述方法包括：待测激光源发射激光，将激光进行衰减；对衰减后的激光进行聚焦，在连续变焦过程中实时采集和测量焦点处激光光斑大小，计算待测激光源的光束质量因子M²。本发明克服了传统M²测量设备需要驱动反射镜组进行大行程位移导致测量速度慢的缺点，具有原理清晰、调节速度快、操作简便等优点，能够大幅度提高光束质量因子M²的测量速度。

技术领域

本发明属于光束质量因子M²测量领域，更具体地，涉及一种光束质量因子M²快速测量装置及方法。

背景技术

光束质量作为激光器的核心指标受到了研究人员和用户的普遍关注。为了准确评价激光器的光束质量，国内外研究人员从理论和实践的角度提出了多种光束质量评价因子，最常用的有光束质量因子M²、衍射极限倍数因子β、桶中功率(PIB)、桶中功率比(BQ)、斯特涅尔比(SR)等等。为统一评价激光器输出光束质量的标准，国际标准化组织(ISO)提出用M²因子表征光束质量的建议，得到了国内外的普遍认可。

根据ISO 11146-1:2005标准，M²因子定义为：

式中：

d₀——束腰宽度或束腰直径；

θ——远场光束发散角。

由于M²因子是利用二阶矩方法，计算光束截面直径的。基于束宽测量M²因子的方法进行了很多研究，具体有聚焦两点法、调焦两点法、三点法、多点拟合法等。原则上用三个不同位置的束宽就可以计算出M²因子，更多位置的测量是用来相互校核以减小误差。沿传播轴z测量光束在不同位置处的束宽d，用双曲线拟合确定光束的传输轮廓，最后确定M²因子。根据ISO的有关标准，为了保证测量精度，至少测10次，必须有至少5次处于光束瑞利长度之内。束宽的拟合公式如下：

d²＝A+B·z+C·z²

用数理统计的知识求出双曲线的系数A，B和C后，即可求得束腰位置z₀和直径d₀、远场发散角θ及M²因子，如以下公式所示：

常见的M²因子测量设备的工作原理如图4所示，高功率待测光源经反射镜、取样装置、衰减片后进入M²分析仪中，控制系统通过控制连接可移动导轨的伺服电机在束腰附近进行扫描，即可获得光束沿传播轴z在不同位置处的束宽d，经过双曲线拟合处理后确定光束的传输轮廓，最终确定M²因子。根据ISO标准，为了保证测量精度，至少测10次，必须有至少5次处于光束瑞利长度之内。现有的M²测试设备，测量位置的移动是通过电动控制距离调节结构的机械位移，需经历10次以上的移位-测量-拟合-移位过程，测量时间约为1min-2min。而高功率激光器的工作时间一般在较短，激光器本身以及光学元器件的长时间运行均会导致光束质量的劣化，使得长时间测出的M²值并不能真实反映激光束的光束质量，而是一段时间的平均值。

发明内容