激光光束質量M2因子的測量方法

光束質量分析儀（光束分析儀，模式分析儀）是一種診斷裝置，可以測量激光光束的整個光強截面，即不僅能測量光束半徑還可以測量得到細節形狀。

光束質量分析儀可以用于以下方面：定性給出光束截面可以用于激光的對準，而測量光軸不同位置處的光束半徑可以計算M2因子或者光束參量乘積，定性表征光束質量。

采用合適的激光光束診斷方法控制光束質量在很多激光器應用中都很重要，例如，材料加工；例如，如果可以控制光束質量，就可以得到更加一致的鉆孔質量。

光束質量M2因子是一個無量綱的參數，用來表征真實世界激光束的缺陷程度。

最簡單的M2因子可以定義為：實際光束的遠場發散角與具有相同束腰直徑的理論衍射極限光束的遠場發散角之比：

M2=（Θ/θ）

式中，Θ是實際光束的實測遠場全角發散角，θ是完美TEM00高斯光束的理論遠場發散角，其束腰直徑與實際光束相同。

因此，完美TEM00高斯光束的M2=1。但沒有激光束是“完美的”。激光腔、激光介質或輸出/輔助光學元件的局限性意味著大多數光束不是理想情況下的衍射限制、高斯分布、純TEM00模式。即便是一個較好的實驗級HeNe激光器，其M2的范圍也在1.05到1.2之間，而不能達到完美TEM00高斯光束的1.0 。

對于通過空間傳播的激光束，其發散角θ0的方程如下：

θ0= M2λ/πw0（w0是激光束的束腰直徑）

而對于純高斯TEM00光束，M2等于1，因此束腰半徑計算如下：w0 = λ/πθ (θ是光束經過透鏡后的發散角)

而對于實際光束，M2大于1，因此束腰半徑也將大于理想的高斯光束的半徑。

M2在真實光束上測量的主要方法是，用已知焦距的固定位置透鏡聚焦光束，然后測量聚焦光束的束腰及束腰兩側的多個光斑。根據ISO/DIS 11146標準，為了精確計算M2，必須在聚焦束腰區域進行至少5次測量，并在遠離束腰兩個銳利范圍的遠場進行至少5次測量。多次測量確保找到最小光束寬度。

M2的精確計算是通過使用距透鏡已知距離處的多次光束寬度測量數據，結合聚焦透鏡的已知特性進行的。此外，多個測量使“曲線擬合”成為可能，通過最小化任何單個點的測量誤差來提高計算精度。

M2因子具有以下重要特點：

① M2因子能夠表示實際光束與理想基模高斯(TEM00)光束的近似程度。

② 光束通過理想光學系統的前后M2大小因子不變。

M2=1必然標志著該光束為高斯光束，然而反過來講卻未必正確，即高斯光束不一定是M2為1。理解這一點非常重要，因為甚至很多激光制造商也不清楚這一點。購買激光器時要尤其注意，以免商品不符合應用的需求。

M2是非常重要的參數，因為它決定了該光束能被聚焦的最小半徑，進一步也基本決定了光束的最大峰值功率。對于很多非線性研究來說，高峰值功率是必須的。