光束质量因子
激光束质量因子M2的概念及测量的方法
激光束质量因子M2的概念及测量的方法光屏扫描法是一种较为常用的测量方法。
该方法使用一个光场扫描器，通过在不同位置测量激光束的强度分布，并利用高斯光束的理论模型进行拟合，从而得到激光束的横向和纵向尺寸，进而计算得到激光束质量因子M2具体测量步骤如下：1.将待测激光束通过一个光场扫描器，并在激光束出射处安装一个光屏。
2.将光场扫描器驱动器连接到计算机，开始扫描光屏位置。
3.在每个扫描的位置上，将光屏记录的强度分布通过CCD相机拍摄下来，然后将数据输入到计算机中。
4.利用高斯光束的理论模型，以拟合的方式对实际强度分布进行分析，从而求得激光束的横向和纵向尺寸。
5.根据激光束横向和纵向尺寸计算得到激光束质量因子M2热光拓扑法是一种利用非线性晶体产生的激光束自陷效应(thermal lens effect)来测量激光束质量因子M2的方法。
该方法通过在激光束传输路径中加入一个吸收能量的样品，利用样品产生的热源引起的光学折射变化，测量热源位置的单侧热光谱线才折射度，进而计算得到激光束质量因子M2具体测量步骤如下：1.在激光束的传输路径中加入一个吸收能量的样品，例如金属片或者涂覆了吸收性涂层的基底。
2.发射激光束，并选取一个合适的功率。
3.在激光束传输路径上的一个远离样品的位置安装一个CCD相机，用于测量热源位置的单侧热光谱线偏折度。
4.开始测量时，在样品上辐射激光束，使其产生较大的吸收热量。
5.利用CCD相机记录热源位置的单侧热光谱线的偏折度。
6.根据所测量到的偏折度，经过一系列的数据处理和计算，得到激光束质量因子M2总结起来，激光束质量因子M2是衡量激光束质量的一个重要参数。
测量方法包括光屏扫描法和热光拓扑法。
这些测量方法的应用可以帮助我们进一步研究激光束的性质，优化激光系统的设计，并在激光加工、激光医疗等领域的应用中提高激光处理的效率和精度。
光束质量的评价方法
评价标准
1、M2因子或其倒数K因子(光束 传输因子) 2、衍射极限倍数因子( β) 3、桶中功率比(BQ) 4、斯特列尔比(SR)
空间束 宽积
光束 在空间域的宽度（束腰宽度）和光束在频域的宽度（远场发散角） 的乘积
光束半径随传输距离变化的双曲线，
在z=0时有最小值 这个位置被称为高斯光束的束腰位置
衍射极限倍数因子( β)的定义及确定
1、定义式
衍射极限倍数因子定义为 β=θ/θ0。
2、（如何确定）参考光束的选择
对于同一实际光束,选取不同的参考光束会 得到不同的β值,这样就给β因子的测定带来 式中,θ为被测实际光束的远场发散角, θ0为 了不确定性和混乱,因此必须统一和规范参 理想光束(也称参考光束)的远场发散角。 考光束的选择。 有研究表明,选取与被测光束发射孔径或面 积相同的圆形实心均匀光束为参考光束,得 到的远场发散角是所有相同孔径光束中衍 射角最小的,适用于以β因子来评价激光武 器系统的光束质量。
桶中功率比(BQ) 也称环围能量比/靶面上能量比
1、定义式 2、（如何确定）参考光束参数
由于强度分布的横向尺度受到衍射极限的限 制,桶的尺寸主要根据目标尺寸与衍射极限尺 寸的相对大小以及具体的应用场合来选取,即 用理想光束的“衍射极限桶”中的桶中能量 与实际光束在同一桶中的桶中能量比值的开 方作为这种应用目的下的光束质量的评价标 准。 当希望的光斑尺寸小于目标尺寸时,为了更充 分地反映目标上的激光能量分布, 作为对式 (的补充,可用一个“桶系列”中的能量多少 来 衡量能量集中度。“桶系列”是具有规范 尺寸的几个同心环围, “规范尺寸”可取为 理想光束远场 光斑上的几个特征尺寸( 见下 面的说明) 。另一 种等价的做法是,用几个规 范的能量百分比所相 应的光斑尺寸评价远场 光束的质量。
光束质量因子
光束质量因子
光束质量因子是计算机视觉中最重要的参数之一，它是评估图像质量的重要指标。
它可以用来帮助计算机系统识别图像的分辨率和焦距，从而确定图像的质量。
图像的质量受到很多因素的影响，其中最重要的因素是光束质量因子。
这个因子是指光谱的空间分辨率，也就是一束光的分辨率。
按照国际标准，一束光的分辨率应该超过0.5米，或者超过300像素。
光束质量因子可以用来得到精确的图像识别结果。
它可以帮助分析静态或者动态图像，并可以根据图像中特征的大小，位置和位置来辨别出更多细节。
此外，光束质量因子还被应用于计算机视觉应用，如3D重建、目标识别和跟踪等，可以提高识别的准确性。
光束质量因子的主要应用在图像的高质量输出上，比如数字摄影、科学图像处理、卫星遥感系统等。
它可以帮助获得较高的图像质量，从而提高图像处理的效率和准确性。
有一些参数影响光束质量因子，如水平解析度、色彩和亮度、镜头类型以及照明条件等。
通过这些参数，可以得到最佳的图像质量。
此外，通过对光束质量因子的研究，可以进一步对图像处理技术进行优化，从而提高计算机视觉应用的精确度。
它可以帮助研究人员更好地理解图像处理的机理，探索新的应用方法。
总而言之，光束质量因子是非常重要的参数，它可以帮助研究人员和计算机视觉应用开发者提高图像处理的质量，从而更好地研究图像处理技术。
此外，它也可以帮助计算机视觉应用提高准确度和效率，
使得计算机视觉应用变得更加准确可靠。
利用光束质量分析仪测量M2
2.光束传播特性参数M2,即光束质量因子，表示激光束与基模TEM oo接近程度的量。
该参数与激光能够聚焦的最小点尺寸密切相关。
对于在空间中传播的光束，未聚焦的基模TEM oo高斯光束的发散角G oo 可以表示为：6bo=4 入/ D oo其中D oo是光束束腰直径，入为波长。
实际光束通常含有其它模式，导致更大的束腰D o ,更大的发散角G o，在这种情况下有：2G=M 4 入/D oG和D o分别为高阶模的发散角和束腰宽度，M2大于1并且依据ISO11146标准命名为光束传播比例”当一束纯高斯光束被聚焦后，聚焦点直径为：d oo =4 入f/ 冗D oo其中D oo是理想聚焦点直径，f为透镜焦距，如图1所示，聚焦点在透镜后1个焦距的长度的位置上。
然而，如果是一个存在畸变的或者多模的光束聚焦后，聚焦点直径为：2d o=M 4 f/ TI D O除M2之外，还可获得其它光束传播特性参数：W o=d o/2 —在x轴（水平）和y轴（垂直）方向上的束腰半径；z-z o—测量平面和束腰平面之间的距离；Z R—瑞利长度，波前曲率半径为最小值时的长度；G—远离束腰的远场发散角；R—测量平面处的波前曲率半径；百是在血》1的 情呪下聚族点直径DWCJ的位置3.用数字波前照相机测量光束传播参数 3.1原理将一个已知焦距的透镜放在固定位置上，光束通过它聚焦进行一次高斯变换，束腰和发散 角发生变化，用数字波前照相机可对该光束的传播特性进行测量。
光束传播特性参量的测量是基于高分辨率光强和波前图像的实时测量。
如图2所示，在DWC中的CCD 接收两个轻微散焦的光强分布图像，利用这两个图像以及他们之间的差异来计算波前。
由波前特性，可以直接的获得光束的传播特征参量，但是需要繁琐的计算过程。
WOC*5gc® Gil芦野，騙利长廈Hdi =■ I"在成像平面2夜裡光東團像』12逋前图11寸-kdi/d;I ；HLU U■ E<4LI1V4B.RM RM4ILll¥4lfl £•：flr |r rl«—■W^li-1Mt-*4>4iiM h n*i-ulaj'ii MTVMM i rH«M1」■鼻■ hl*»piCM.-U 5fl a■»・*44hi■ I1 *1 ***1.411 it弋克苗掃恃t生参暈图2DWC原理：在两个不同的焦平面实时获得两幅图像，取得波前并计算光束传播参数。
光束质量M2因子测试及分析实验报告
实验名称：光束质量M2因子测试及分析实验目的1、了解M2因子的概念及M2因子评价光束质量的优越性；2、掌握M2因子的测量原理及测量方法；3、掌握测量激光器的腰斑大小和位置的方法。
实验原理1988年，A.E. Siegman利用无量纲的量——光束质量因子，较科学合理地描述了激光束质量，并由国际标准组织ISO采纳。
光束质量因子又被称为激光束质量因子或衍射极限因子，其定义为实际光束的束腰宽度和远场发散角的乘积理想光束的束腰宽度和远场发散角的乘积M2因子定义式中同时考虑了束宽和远场发散角的变化对激光光束质量的影响。
在二阶矩定义下，利用与量子力学中不确定关系类似的数学证明过程可得 M2≥1，它说明小的束宽和小的发散角二者不可兼得。
当M2=1时，激光束为基模高斯光束；当M2>1时，激光束为多模高斯光束。
当激光光斑为圆斑时，光束质量因子M2可表示为式中为光束束腰宽，为光束的远场发散角，A 为激光波长。
根据国际标准组织提供的ISOlll46—1的测量要求设计测试方案。
采用多点法测量光束质量因子，就是在激光束的传输方向上测量多个位置处的激光参数。
利用曲线拟合的方法求得各激光参数。
CCD 通过数据采集卡连接到计算机，二阶矩定义的光束宽度通过编程确定，在计算机上可以读到束宽的大小。
对测量结果采用多点双曲线拟法拟M2 = ━━━━━━━━━━━━━━━━合或抛物线拟合，求出按二阶矩定义束宽的传输方程中3个系数a i、b i；、c i后，就可以计算出相应的光束参数对于束腰不可直接测量的激光柬(绝大多数激光器产生的激光都是发散的)，先要用无像差透镜进行束腰变换。
实验测量两台会聚光束He-Ne激光器(一台是基模的，一台是多模的)M2因子和其腰斑的大小与位置、发散角及瑞利长度。
根据透镜对高斯光束的变化规律，可以根据以下公式算出和Z0。
从而求出激光器腰斑的大小和位置。
实验数据记录及处理①基模激光的拟合图像原始实验数据Waist Width X 0.538 mm Waist Width Y 0.583 mm Divergence X 3.374 mrad Divergence Y 3.304 mrad Waist Location X 232.03 mm Waist Location Y 233.64 mm M2 X 2.2532 M2 Y 2.3898 Rayleigh Range X 159.47 mm Rayleigh Range Y 176.33 mm Wavelength 632.8 nm Focal Length 100 mm Laser Location 507 mm Z-Position X Width Y Widthmm mm mm 106.55 0.2303 0.21891116.55 0.21483 0.22191126.55 0.25671 0.27044136.55 0.30434 0.31553146.55 0.29206 0.30925156.55 0.32241 0.34863166.55 0.36897 0.40218176.55 0.4072 0.44172186.55 0.48755 0.5182196.55 0.54782 0.56461206.55 0.63207 0.68761216.55 0.69338 0.73035226.55 0.7324 0.76752236.55 0.81272 0.85872296.55 1.3694 1.4259346.55 1.7949 1.858拟合的X轴方向双曲线为，拟合得到的腰斑位置为116mm，大小为0.292mm；拟合的Y轴方向双曲线为，拟合得到的腰斑位置为112mm，大小为0.278mm；由以上数据，编写程序计算后可得：X轴方向的激光器腰斑大小和位置为Y轴方向的激光器腰斑大小和位置为②多模激光的拟合图像实验结论实验测得的激光器基模光束X轴方向质量因子M x2的值为2.2532，腰斑位置z0x的值为376.033mm，腰斑大小dσ0x的值为0.168972mm；Y 轴方向质量因子M y2的值为2.3898, 腰斑位置z0y的值为398.756mm，腰斑大小dσ0y的值为0.191698mm.激光器多模光束质量因子M x2的值为2.0554，M y2的值为2.1228.。
准分子激光器 光束质量
准分子激光器光束质量准分子激光器光束质量准分子激光器是一种应用广泛的激光器类型，其光束质量是评估其性能的重要指标之一。
本文将探讨准分子激光器光束质量的定义、影响因素以及提高光束质量的方法。
1. 光束质量的定义光束质量是指光束在传播过程中保持的空间特性和波前形状的好坏程度。
准分子激光器的光束质量通常用光束品质因子（M^2）来衡量，M^2的值越小，表示光束质量越好。
2. 影响光束质量的因素准分子激光器的光束质量受到多种因素的影响，包括以下几个方面：2.1 激光器本身的设计和制造质量。
激光器的光学元件、激光介质和光学腔的设计和制造质量直接影响光束的质量。
优质的材料和精确的加工工艺可以减少光束的畸变和散射。
2.2 激光器的工作状态。
准分子激光器在不同的工作状态下，其光束质量可能会有所不同。
例如，激光器的脉冲宽度、频率和功率等参数的调节都可能对光束质量产生影响。
2.3 光束传播路径的清洁程度。
光束传播过程中，光束可能会受到灰尘、污渍等污染物的影响，导致光束质量下降。
因此，保持光路的清洁是提高光束质量的重要因素之一。
3. 提高光束质量的方法为了提高准分子激光器的光束质量，可以采取以下几种方法：3.1 优化激光器的设计和制造过程。
通过改进激光器的结构设计和制造工艺，可以提高光束的质量。
例如，优化光学元件的曲面形状和表面质量，减少光束的畸变和散射。
3.2 控制激光器的工作状态。
调节激光器的脉冲宽度、频率和功率等参数，可以优化光束的质量。
例如，选择适当的脉冲宽度和频率，可以减少光束的散焦和畸变。
3.3 定期清洁光路。
保持光路的清洁，可以有效地减少光束受到污染物的影响。
定期清洁光学元件和光路，可以提高光束的质量和稳定性。
4. 结论准分子激光器的光束质量对于其应用的性能至关重要。
通过优化激光器的设计和制造过程，控制激光器的工作状态以及定期清洁光路，可以提高光束的质量和稳定性。
这些方法可以帮助我们更好地利用准分子激光器的特性，满足不同领域的应用需求。
光束质量因子
光束质量因子光束质量因子（BeamQualityFactor）是指一种光束在不同距离上所表现出的均匀性和整体收缩程度。
在常规光学设备中，光束质量因子是对聚焦状态和光束发散状态的量化描述，主要应用于照明设备、焦距检测、非球面检测以及微分镜的设计等光学仪器的评价标准。
光束质量的测量主要是通过测量光束的圆度度来实现的，光束的圆度度是指光束在不同距离上的发散程度。
圆度度越高，说明光束质量越高，因此光束质量因子也越高，反之亦然。
圆度度在某一特定焦距处有最大可能值，称为最大圆度度，可以从理论上通过调整光学系统的焦距或者非球面曲面的参数来调节最大圆度度的大小，这可以准确的控制光束质量因子的大小。
光束质量因子的测量，主要是依据光学系统的收缩程度和光束的扩散程度来衡量的。
常见的测量方法有光束扫描仪、CCD检测仪、电流检测仪、光学干涉仪，以及计算机光束分析系统等。
通常，可以通过光学系统的收缩程度和光束的扩散程度来定义光束质量因子。
在照明设备中，光束质量因子可用于衡量聚光率和光束发散率，从而判断照明能效的均匀性和整体质量。
同时，光束质量因子在焦距检测、非球面检测和微分镜的设计中也扮演着重要的角色。
例如，在焦距检测中，可以用光束质量因子来衡量焦距检测光学系统的均匀性和发散率。
在非球面检测中，可以利用光束质量因子来衡量像差等级和近焦面像差等级。
在微分镜设计中，可以用光束质量因子来衡量微分镜的性能质量以及它的微分能力。
因此，光束质量因子是一种非常重要的衡量标准，它可以帮助我们更好的掌控光学系统的性能，从而提高照明能效、焦距测试仪、非球面检测仪以及微分镜设计等光学系统的均匀性和整体质量。
总之，光束质量因子对于照明设备、焦距检测仪、非球面检测仪以及微分镜设计等光学设备的性能评价具有重要作用，可以有效的提高光学设备的均匀性和整体质量。
高能激光光束质量β因子的影响因素分析
第14卷第2期 2021年3月中国光学Chinese OpticsVol. 14 No. 2Mar. 2021文章编号2095-1531(2021)02-0353-08高能激光光束质量因子的影响因素分析王艳茹，王建忠冉铮惠，丁宇洁(中国工程物理研究院计量测试中心，四川绵阳621900)摘要:采用二维线性调频z变换算法,分析了影响高能激光系统光束质量A因子测量准确性的因素本文详细分析了采 样点数（即衍射极限内的采样点数）和衍射光斑图像的能量损失率对光束质量A因子的影响。
在衍射极限角直径 2 (/1/D)范围内不同采样点数的模拟结果表明:采样点数越高，光斑衍射图像的分辨率越高，进而光束质量A因子计算越 准确。
在一倍衍射极限角2.44 (A/D)范围内应最低不少于10个采样点，即可将#因子的测量误差控制在3%。
同时，不 同像差对光斑图像能量损失率的敏感程度不同，相同能量损失率下，高阶像差的A因子测量误差要高于低阶像差。
特别 是球差类的像差对能量损失最为敏感，约5%的能量损失就可带来15%〜30%的#因子计算误差。
关键词:z变换；光束质量因子；采样点数；能量损失中图分类号:0438 文献标志码:A doi：l 0.37188/C0.2020-0137Analysis of effects on the beam quality p factor of high power laser WANG Yan-ru,WANG Jian-zhong*,RAN Zheng-hui,DING Yu-jie{Metrology and Testing Center,China Academy o f E ngineering Physics,Mianyang621900, China)* Corresponding author.E-mail:WJLZ\999@Abstract:The influencing factors of beam quality P factor of high-energy laser system is analyzed based on two-dimension chirp z transformation.The effects of the sampling number within the diffraction limit and the beam spot's energy loss on the beam quality/?factor are analyzed.The simulation results based on different sampling numbers indicate that a larger sampling number induces higher beam spot diffraction image resolution which is beneficial for more accurate calculation of a beam quality P factor.When the sampling number of the diffraction limit angle is no less than ten,the measurement error can be limited within3%. Meanwhile, different wavefront aberrations have different sensitivities against beam spot energy loss.The beam quality p factor of high order wavefront aberration is larger than that of low order aberration with equal energy loss. Especially,the spherical aberration is most sensitive to energy loss,and about 5%energy loss can induce 15% to30%calculation error of the P factor.Key words:chirp z transformation；beam quality；fi factor；sampling number；energy loss收稿日期:2020-07-27;修订日期:2020-08-15基金项目：国防科工局技术基础项目（No. JS儿2017212B002)Supported by Basic Project of Science Technology and Industry for National Defense (No. JS儿2017212B002)354中国光学第14卷1引言能量输运型的高能激光系统[W1,除了要求高 的输出功率和能量外，对于远场激光系统的能量 集中度也较为关注。
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光束质量因子是激光光束质量的评估和控制理论基础。
其定义为
其中：R为实际光束的束腰半径，R0为基膜高斯光束的束腰半径
θ为实际光束的远场发散角，θ0为基膜高斯光束的远场发散角。
光束质量因子为1时，具有最好的光束质量。
衍射极限是指一个理想点物经光学系统成像，由于衍射的限制，不可能得到理想像点，而是得到一个夫朗和费衍射像。
因为一般光学系统的口径都是圆形，夫朗和费衍射像就是所谓的艾里斑。
这样每个物点的像就是一个弥散斑，两个弥散斑靠近后就不好区分，这样就限制了系统的分辨率，这个斑越大，分辨率越低。
这个限制是物理光学的限制，是光的衍射造成的。
点列图是指在几何光学的成像过程中，由一点发出的许多条光线经光学系统成像后，由于像差的存在，使其与像面的交点不再集中于一点，而是形成一个分布在一定范围内的弥散图形。
在点列图中利用这些点的密集程度来衡量光学系统的成像质量的方法称之为点列图法。
利用点列图法来评价照相物镜等的成像质量时，通常是利用集中30%以上的点或光线所构成的图形区域作为其实际有效弥散斑，弥散斑直径的倒数为系统的分辨率。
这个分辨率是由几何光学的像差限制的，没有考虑衍射效应。
衍射极限公式是sinθ=1.22λ/D。
其中θ是角分辨率，λ是波长，D是光圈直径。
当θ很小时，sinθ约等于tagθ，约等于d/f，其中d是最小分辨尺寸，f是焦距。
推导出d/f=1.22λ/D。
A=d/（1.22λ）。
A是光圈f/值。
当d等于成像元件像素点尺寸p时，A就是衍射极限光圈。
DLA=p/（1.22λ），也就是：衍射极限光圈=像素尺寸/（1.22x光波波长）。