激光光束质量（激光光束质量）-趣爱秀

基本介绍

与灯抽运的固体激光相比，全固态激光输出功率、光束质量、寿命等都大大提高，因此开辟了一系列新的重大应用，特别是在高能激光领域的应用。光束质量是全固态激光应用中的一个极其关键的参数，通常认为它是从质的方面来评价激光束的传输特性，对理论分析和激光器的设计、制造、检测、实际应用等方面具有重要意义。国内外学者长期关注有关激光光束质量，特别是高能激光光束质量的研究，力图建立既能简明反映物理实质，又能全面评价光束质量的标准。在激光的发展史上，针对不同的应用目的，人们对激光的光束质量有许多种定义，提出了不同的评价参数，主要有：聚焦光斑尺寸、远场发散角、斯特列尔比、衍射极限倍数月因子、光束参数乘积、桶中功率(能量)和耐因子等，也形成了多种检测方法。学术界对这些评价标准的理性和适用性还不统一，存在一定的争议。

1988年，A.E.Siegman引入了一个无量纲的量-光束质量因子参数，较科学合理地描述了激光光束质量，并被国际标准化组织1991年的ISO/TC172/SC9/WG1标准草案采纳，激光光束质量因子的研究和测量也成为近几年研究的热点。

光束质量是衡量激光光束优劣的一项重要指标。但是，较长时间以来，光束质量一直没有确切的定义，也未建立标准的测量方法，这给科研和应用都带来不便。常用来评价光束质量的方法有：原衍射极限倍数因子、斯特列尔比、环围能量比、M2因子或其倒数K因子(光束传输因子),各种光束质量的定义对应于不同的应用目的，所反映光束质量的侧重点也不同。光束质量的好坏，应视具体的应用目的作出评价。光束质量是从质的方面来评价激光的特性，对激光器设计、制造、检测、应用等有重要作用。探讨如何完善光束质量因子的普适性，分析影响光束质量的因素，并进行控制，具有重要意义。

对于分析远程激光测距和激光测高的精度来说，测距光束质量检测是其中重要的环节，特别是光束的能量分布状况以及发散角和束宽的大小，对测距回波的影响最明显，而激光光束质量因子比较能反映测距激光的质量，提高测量的精度。

评价方法

原衍射极限倍数因子

原衍射极限倍数因子定义为被测实际光束远场发散角与理想光束远场发散角的比值，其表达式为β=θ/θ0(1)

远场发射角θ用渐近线公式θ=limz→∞/w(z)z,确定w(z)为光斑宽度,z为光斑所对应的位置。在旁轴近似和光阑孔径衍射可忽略情况下 ,自由空间中光束宽度w(z)满足如下传输方程:

w2(z)=w20+(M2)2〔λ/(πw0)〕2(z-z0)2(2)

式中z0为束腰w0所在位置。对理想高斯光束，光斑宽度w(z)用光强最大值1/e2处的宽度来定义，在所定义的光斑尺寸内含有高斯光束总功率的86.5% 。

原衍射极限倍数因子β主要适用于评价刚从激光器谐振腔发射出的激光束，能较合理地评价近场光束质量，它是描述激光系统光束质量的静态性能指标，并没有考虑大气对激光的散射，湍流和热晕等作用。在激光对抗武器系统中,β主要由激光武器系统出射光束的βL和经过光束定向器的光束βD决定，便有β2=β2L+β2D(3)它为高能激光武器系统的光束质量提供了评价依据。β值的测量依赖于光束远场发散角的准确测量，由于激光本身的因素和在激光束传输过程中众多因素的影响，使得远场光束的强度分布中含有较多的高阶空间频率分量，强激光经衰减后用CCD接收测量光斑宽度的办法，很难探测到光斑的高阶分量，相对的空间强度分布很难反映出光斑的高阶分量，所得的β值不能真实反映由于高阶弥散引起的能量损失。它的准确测量要求对探测系统较高，不适合于评价远距离传输的光束。

环围能量比

环围能量比，也称靶面上(或桶中)功率比，定义为规定尺寸内理想光斑环围能量(或功率)与相同尺寸内实际光斑环围能量(或功率)的比值的方根。其表达式为BQ=P理想P实测或BQ=EE实理想测 (4)

BQ值是针对能量输送、耦合型应用，结合光束在目标上的能量集中度进行远场光束质量的评价。BQ值区别于β值的是它包含了大气的因素，是从工程应用，破坏效应的角度描述光束质量的综合性指标，是激光武器系统受大气影响的动态指标。BQ值把光束质量和功率密度直接联系在一起，是能量集中度的反映，对强激光与目标的能量耦合和破坏效应的研究有着非常实际的意义。单一的桶对光强的空间分布描述有所不足，而且必须明确理想光束的选取，从工程应用角度，用较为简单、实用的办法，选取与激光武器发射系统主镜尺寸相当的实心平面波作为理想光束。对于“硬破坏”激光武器，规范尺寸要尽可能的小，要求较高的峰值功率密度，规范尺寸以发射系统主镜的主径尺寸D对应的衍射极限尺寸较合适，它所含能量为系统发射总能量的84%,对于“软杀伤”激光武器，要求靶面范围内有较高的能量份额，较高的平均功率密度，规范尺寸可选为破坏目标的尺寸。

BQ值常用不同限孔能量测量法以及能对空间绝对能量分布测量的探测系统进行测量，要求具备可直接接收高能激光的强光阵列探测器或靶盘仪。它是常用于评价强激光光束质量的方法，但由于高功率激光器，例如氟化氢(HF),氟化氘(DF)和氧碘化学激光器(COIL),一般采用非稳腔结构，输出光束不是高斯光束，衡量非稳腔激光器产生激光束的质量，有一些不确定之处。

斯特列尔比(StrehlRate)

斯特列尔比定义为实际光束轴上的远场峰值光强与具有同样功率、位相均匀的理想光束轴上的峰值光强之比。其表达式为:

SR≈exp〔-(2πΔΥλ)2〕(5)

式中,Δ-激光光束的波像差,λ-激光波长。斯特列尔比因子反映了远场轴上的峰光强，它取决于波前误差，能较好地反映光束波前畸变对光束质量的影响。常应用于大气光学中，主要用来评价自适应光学系统对光束质量的改善性能。

斯特列尔比SR对高能激光武器系统自适应光学修正效果的评价有重要作用。高能激光武器系统主要包括高能激光器和光束定向器两大分系统。当高能激光武器系统有自适应光学修正时，仅从激光器出射光束的光束质量、光束定向器出射口光束质量以及高能激光到达靶面的光束质量还不足以反映自适应系统对高能激光在能量空间输运中光束质量的改善，还需要对光束进行自适应修正前后的光束质量进行评价。采用SR从相位角度反映光束质量，能较好地反映自适应系统对波前畸变的修正性能。通过对自适应光学系统开环和闭环条件下SR的测量和对比，可分析自适应光学系统的工作性能，定义n为n=SRS′R(6)

上式可以反映自适应光学系统对波前畸变的矫正效果。自适应光学系统在闭环工作条件下，也存在抖动的问题，光束的抖动会严重影响光束的质量。通过对影响光束质量的主要因素进行分析，采用零点反馈补偿法和补偿波前畸变的方法对光束质量控制有重要实用意义。但Strehl比只反映远场光轴上的峰光强，不能给出能量应用型所关心的光强分布。此外，它只能粗略地反映光束质量，在光学系统设计中不能提供非常有用的指导。

M因子

激光光束质量M2因子被国际光学界所公认并由国际标准化组织(ISO)予以推荐。M2因子克服了常用光束质量评价方法的局限，用M2因子作为评价标准对激光器系统进行质量监控及辅助设计等具有十分重要的意义。M2因子评价方法常用于低功率激光器产生光束截面上光强分布为连续的激光光束。由于采用光束的二阶矩定义束宽，对测量仪器要求较高。在亮度公式中，用激光束腰直径来表示光源发光面积ΔS=14λd2o,用激光束远场发散角来表示光源发射立体角ΔΨ=14πθ2f,并把d0θf积用M2因子表示出来，则激光束亮度公式就可表示:B=PΔS·ΔΨ=P(M2)2·λ2(21)这样，激光束的特征就可以用功率、波长、光束质量几个参数表示出来，光束质量M2因子是表征激光束亮度高、空间相干性好的本质参数。将光场在空域及频域的分布来表示光束质量M2因子，即M2=4πσsσsv,便可知道M2因子能够反映光场的强度分布与相位分布的特性〕。相对其它评价方法来说,M2因子能较好地反映光束质量的实质，具有较强的普适性，并且积分地反映了光强的空间分布。

M2因子不适合于评价高能激光的光束质量，高能激光的谐振腔一般是非稳腔，输出的激光光束不规则，将不存在“光腰”,而且，对于能量分布离散型的高能激光光束，由二阶矩定义计算得到的光斑半径与实际相差很远。得到的M2

因子误差很大。M2因子要求光束截面的光强分布不能有陡直边缘，比如对于“超高斯光束”M2因子就不适用。

影响因素

光束质量是激光束可聚焦程度的度量，高质量光束的远场发散角应接近理想的单模高斯光束的衍射极限。光束质量受激光产生、发射和传输过程的影响。影响光束质量的因素较多，诸如在谐振腔内介质的泵浦、冷却的非均匀性和增益饱和都会引起激光介质非均匀增益分布、光学元件的静态像差和动态热像差(热畸变)、光腔的失调和抖动、硬边光阑衍射、光学传输系统的像差及装校误差、工作物质的双折射、高阶模输出等都会降低光束质量。谐振腔畸变对整个光束质量起关键性作用，它是产生波前畸变的重要原因。发射光学系统的像差和抖动也是影响光束质量的原因。大气湍流易引起光束漂移和发散效应，导致光束能量不集中。对高功率激光而言，在传输通道(大气)中非线性(热晕等)效应常是导致光束质量劣化，限制高功率激光远程有效传输的重要因素。

通过合理设计和使用空间滤波器，高斯光阑或高斯反射镜等光学元件和系统，对谐振腔采取优化设计，比如在轴对称腔内插非轴对称光学元件(柱透镜等),可以减小M2因子之值，提高光束质量。

光束质量是由光场振幅和相位分布共同决定的，它是激光武器系统的一项重要性能指标，高质量光束在很大程度上提高激光武器的作战参数。在激光器设计和生产过程中，光束质量参数为激光器制造中的质量控制提供有力依据。原衍射极限倍数因子主要从光束的远场发散角考虑，它主要描述了光束的静态性能指标。环围能量比是评价高能激光武器系统的重要参数，它主要从能量耦合和破坏效应的实际应用角度出发。斯特列尔比更强调光轴上的峰光强，在大气光学中比较常用。M2因子是一种较为完善，合理的光束质量评价标准，并且得到国际标准化组织(ISO)的认可。虽然这些方法都有各自的不足，但可以采用分清主次和综合衡量的方法而选择其一。依据这些评价激光光束质量的方法，按照不同的应用目的，研制和优化各种激光武器系统，有助于推动我国的国防事业发展。