1、實(shí)驗(yàn)名稱：光束質(zhì)量M2因子測(cè)試及分析實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解M2 因子的概念及M2 因子評(píng)價(jià)光束質(zhì)量的優(yōu)越性；2、掌握M2 因子的測(cè)量原理及測(cè)量方法；3、掌握測(cè)量激光器的腰斑大小和位置的方法。實(shí)驗(yàn)原理1988年， A.E. Siegman 利用無(wú)量綱的量光束質(zhì)量因子，較科學(xué)合理地描述了激光束質(zhì)量，并由國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織ISO采納。 光束質(zhì)量因子又被稱為激光束質(zhì)量因子或衍射極限因子，其定義為M2 = 實(shí)際光束的束腰寬度和遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角的乘積M = 理想光束的束腰寬度和遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角的乘積M2 因子定義式中同時(shí)考慮了束寬和遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角的變化對(duì)激光光束質(zhì)量的影響。在二階矩定義下，利用與量子力學(xué)中不確定關(guān)系類似的數(shù)學(xué)證明過(guò)程

2、可得M2 1， 它說(shuō)明小的束寬和小的發(fā)散角二者不可兼得。當(dāng)M2=1 時(shí)，激光束為基模高斯光束；當(dāng)M2>1 時(shí)，激光束為多模高斯光束。當(dāng)激光光斑為圓斑時(shí)，光束質(zhì)量因子M2可表示為式中 為光束束腰寬，為光束的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角，A 為激光波長(zhǎng)。根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織提供的ISOlll46 1 的測(cè)量要求設(shè)計(jì)測(cè)試方案。 采用多點(diǎn)法測(cè)量光束質(zhì)量因子，就是在激光束的傳輸方向上測(cè)量多個(gè)位置處的激光參數(shù)。利用曲線擬合的方法求得各激光參數(shù)。CCD通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡連接到計(jì)算機(jī)，二階矩定義的光束寬度通過(guò)編程確定，在計(jì)算機(jī)上可以讀到束寬的大小。對(duì)測(cè)量結(jié)果采用多點(diǎn)雙曲線擬法擬合或拋物線擬合，求出按二階矩定義束寬的傳輸方程中3

3、個(gè)系數(shù)ai 、bi ； 、 ci 后，就可以計(jì)算出相應(yīng)的光束參數(shù)對(duì)于束腰不可直接測(cè)量的激光柬（ 絕大多數(shù)激光器產(chǎn)生的激光都是發(fā)散的 ） ，先要用無(wú)像差透鏡進(jìn)行束腰變換。實(shí)驗(yàn)測(cè)量?jī)膳_(tái)會(huì)聚光束 He-Ne激光器 （一臺(tái)是基模的，一臺(tái)是多模的）M2 因子和其腰斑的大小與位置、發(fā)散角及瑞利長(zhǎng)度。根據(jù)透鏡對(duì)高斯光束的變化規(guī)律，可以根據(jù)以下公式算出和 Z0。 從而求出激光器腰斑的大小和位置。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及處理基模激光的擬合圖像Waist Width X0.538mmWaist Width Y0.583mmDivergence X3.374mradDivergence Y3.304mradWaist Loc

4、ation X232.03mmWaist Location Y233.64mmM2 X2.2532M2 Y2.3898Rayleigh Range X 159.47mmRayleigh Range Y 176.33mmWavelength632.8nmFocal Length100mmLaser Location507mmZ-PositionX WidthY Widthmmmmmm106.550.23030.21891116.550.214830.22191126.550.256710.27044136.550.304340.31553146.550.292060.30925156.550.3

5、22410.34863166.550.368970.40218176.550.40720.44172186.550.487550.5182196.550.547820.56461206.550.632070.68761216.550.693380.73035226.550.73240.76752236.550.812720.85872296.551.36941.4259346.551.79491.858擬合的 X軸方向雙曲線為，擬合得到的腰斑位置為116mm，大小為0.292mm；擬合的 Y軸方向雙曲線為，擬合得到的腰斑位置為112mm，大小為0.278mm；X軸方向的激光器腰斑大小和位置為Y軸方向的激光器腰斑大小和位置為多模激光的擬合圖像實(shí)驗(yàn)結(jié)論實(shí)驗(yàn)測(cè)得的激光器基模光束X軸方向質(zhì)量因子Mx2的值為2.2532，腰斑位置z0x的值為376.033mm，腰斑大小d0x的值為0.168972mm； Y軸方向質(zhì)量因子My2的值為2.3