使用Dataray光束質(zhì)量分析儀進(jìn)行M2測(cè)量的實(shí)驗(yàn)示例

一、什么是M²因子？為何它如此重要？
光束質(zhì)量因子 M2（也稱(chēng)為光束傳播比，Beam Propagation Ratio）是衡量激光光束質(zhì)量的關(guān)鍵，是用于量化激光光束偏離理想高斯光束（衍射極限）程度的無(wú)量綱參數(shù)。表示實(shí)際光束與理想高斯光束（TEM₀₀模式）在發(fā)散性和聚焦能力上的差異。

根據(jù)ISO 11146-1，M2的測(cè)量需基于二階矩法（second-order moment method）計(jì)算光束寬度（dσ）和發(fā)散角（Θσ），定義式為：

• 其中，dσ：基于二階矩的光束直徑；

• Θσ：全發(fā)散角（單位：弧度）；

• λ：激光波長(zhǎng)。

• M2=1：表示光束為理想高斯光束（TEM₀₀模式），達(dá)到衍射極限；

• M2>1：表示光束存在像差、多模振蕩、非均勻相位或振幅分布等非理想因素；

• M2越小，光束質(zhì)量越高，聚焦能力越強(qiáng)，遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散越小。

• M2作為傳播不變量，M2在自由空間傳播及通過(guò)無(wú)像差光學(xué)系統(tǒng)時(shí)保持不變；它是光束參數(shù)乘積（Beam Parameter Product，BPP） 的歸一化表示：

如何計(jì)算？
1、沿軸沿傳播軸 z 測(cè)量至少10個(gè)不同位置的光束寬度 dσ(z)；
2、通過(guò)雙曲線(xiàn)擬合得到腰斑直徑dσ0和遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角Θσ；

3、代入M2公式計(jì)算。

二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備與原理
本次實(shí)驗(yàn)采用WinCamD-LCM系列光束質(zhì)量分析儀搭配M2DU-LCM系統(tǒng)（含移動(dòng)臺(tái)、鏡頭架和相機(jī)架），以及專(zhuān)用透鏡系統(tǒng)（根據(jù)波長(zhǎng)選擇UV、VIS、NIR、TEL系列）。

透鏡焦距的選擇要根據(jù)“鏡頭選擇工作表”文件，將激光器的相關(guān)參數(shù)輸入，點(diǎn)擊想選擇的透鏡焦距，下方表格標(biāo)紅就是不可以，接著換焦距，表格變綠就證明該焦距的選擇正確。

三、實(shí)驗(yàn)步驟詳解
1、設(shè)備組裝與校準(zhǔn)
將WinCamD-LCM相機(jī)用螺絲固定到底座上，再用兩個(gè)螺絲將底座固定于M2DU移動(dòng)臺(tái)，安裝相應(yīng)焦距的透鏡，連接12V電源和USB至電腦，確保驅(qū)動(dòng)正確安裝。

2、激光安全與衰減調(diào)節(jié)
根據(jù)預(yù)先計(jì)算的束腰直徑，調(diào)整ND衰減片，防止傳感器飽和。這是測(cè)量成功的前提，也是實(shí)驗(yàn)安全的保障。

3、軟件設(shè)置與光束對(duì)準(zhǔn)
通過(guò)目標(biāo)十字準(zhǔn)心精細(xì)調(diào)節(jié)光束對(duì)準(zhǔn)，確保光斑在傳感器上居中。啟動(dòng)DataRay軟件，觀察WinCamD-LCM相機(jī)右上角指示燈由紅變綠。點(diǎn)擊“Ready”出現(xiàn)十字架，看到光斑。

4、曝光與捕獲設(shè)置
根據(jù)光束強(qiáng)度調(diào)整曝光時(shí)間，確保峰值A(chǔ)DC低于90%。觀察光束，可以看到光斑情況，當(dāng)如下圖，如果軟件判定測(cè)量數(shù)據(jù)無(wú)效或存在錯(cuò)誤，相關(guān)數(shù)據(jù)的字體將顯示為橙色。


經(jīng)過(guò)軟件的自動(dòng)對(duì)焦和測(cè)量得到穩(wěn)定數(shù)據(jù)，可變成黑色。如下圖所示，可用相機(jī)觀察到他的通光量、橢圓度、X方向、Y方向?qū)挾纫约八�的質(zhì)心。同時(shí)可在圖像上進(jìn)行圖像縮放以觀察到最好的程度。


 

5、執(zhí)行掃描與數(shù)據(jù)采集
在軟件界面上方選擇M²測(cè)量模式。設(shè)置波長(zhǎng)、透鏡焦距、LPPSO（鏡頭主平面到傳感器距離）等參數(shù)。


在建議范圍內(nèi)軟件會(huì)自動(dòng)驅(qū)動(dòng)M2DU導(dǎo)軌進(jìn)行60個(gè)點(diǎn)的高密度采樣，每個(gè)點(diǎn)平均5次圖像，確保數(shù)據(jù)穩(wěn)定性。

 

6、結(jié)果計(jì)算與分析
軟件自動(dòng)計(jì)算M²值、束腰直徑（2Wo）、瑞利范圍（Zr）、遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角（Θ）等參數(shù)，并生成雙曲線(xiàn)擬合圖。保存數(shù)據(jù)，導(dǎo)出結(jié)果。結(jié)果文件里有最終的光斑圖像和測(cè)M2時(shí)所有采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)。下圖就是導(dǎo)出數(shù)據(jù)光斑和數(shù)據(jù)圖。


 

實(shí)驗(yàn)結(jié)束，將所有的器材進(jìn)行整理，放回箱內(nèi)。

四、應(yīng)用價(jià)值與總結(jié)
M²因子測(cè)量在激光加工、光學(xué)通信、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)，我們不僅掌握了專(zhuān)業(yè)的測(cè)量方法，還深入理解了光束質(zhì)量對(duì)激光系統(tǒng)性能的影響。
溫馨提示：進(jìn)行光束質(zhì)量分析時(shí)，務(wù)必注意激光安全，合理選擇衰減方案，并確保設(shè)備校準(zhǔn)準(zhǔn)確。