使用Dataray光束質(zhì)量分析儀進行M2測量的實驗示例

一、什么是M²因子？為何它如此重要？
光束質(zhì)量因子 M2（也稱為光束傳播比，Beam Propagation Ratio）是衡量激光光束質(zhì)量的關鍵，是用于量化激光光束偏離理想高斯光束（衍射極限）程度的無量綱參數(shù)。表示實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的測量需基于二階矩法（second-order moment method）計算光束寬度（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。

• M2=1：表示光束為理想高斯光束（TEM₀₀模式），達到衍射極限；

• 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，遠場發(fā)散越小。

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

如何計算？
1、沿軸沿傳播軸 z 測量至少10個不同位置的光束寬度 dσ(z)；
2、通過雙曲線擬合得到腰斑直徑dσ0和遠場發(fā)散角Θσ；

3、代入M2公式計算。

二、實驗設備與原理
本次實驗采用WinCamD-LCM系列光束質(zhì)量分析儀搭配M2DU-LCM系統(tǒng)（含移動臺、鏡頭架和相機架），以及專用透鏡系統(tǒng)（根據(jù)波長選擇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，將激光器的相關參數(shù)輸入，點擊想選擇的透鏡焦距，下方表格標紅就是不可以，接著換焦距，表格變綠就證明該焦距的選擇正確。

三、實驗步驟詳解
1、設備組裝與校準
將WinCamD-LCM相機用螺絲固定到底座上，再用兩個螺絲將底座固定于M2DU移動臺，安裝相應焦距的透鏡，連接12V電源和USB至電腦，確保驅(qū)動正確安裝。

2、激光安全與衰減調(diào)節(jié)
根據(jù)預先計算的束腰直徑，調(diào)整ND衰減片，防止傳感器飽和。這是測量成功的前提，也是實驗安全的保障。

3、軟件設置與光束對準
通過目標十字準心精細調(diào)節(jié)光束對準，確保光斑在傳感器上居中。啟動DataRay軟件，觀察WinCamD-LCM相機右上角指示燈由紅變綠。點擊“Ready”出現(xiàn)十字架，看到光斑。

4、曝光與捕獲設置
根據(jù)光束強度調(diào)整曝光時間，確保峰值ADC低于90%。觀察光束，可以看到光斑情況，當如下圖，如果軟件判定測量數(shù)據(jù)無效或存在錯誤，相關數(shù)據(jù)的字體將顯示為橙色。


經(jīng)過軟件的自動對焦和測量得到穩(wěn)定數(shù)據(jù)，可變成黑色。如下圖所示，可用相機觀察到他的通光量、橢圓度、X方向、Y方向?qū)挾纫约八�的質(zhì)心。同時可在圖像上進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測量模式。設置波長、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)軟件會自動驅(qū)動M2DU導軌進行60個點的高密度采樣，每個點平均5次圖像，確保數(shù)據(jù)穩(wěn)定性。

 

6、結(jié)果計算與分析
軟件自動計算M²值、束腰直徑（2Wo）、瑞利范圍（Zr）、遠場發(fā)散角（Θ）等參數(shù)，并生成雙曲線擬合圖。保存數(shù)據(jù)，導出結(jié)果。結(jié)果文件里有最終的光斑圖像和測M2時所有采樣點的數(shù)據(jù)。下圖就是導出數(shù)據(jù)光斑和數(shù)據(jù)圖。


 

實驗結(jié)束，將所有的器材進行整理，放回箱內(nèi)。

四、應用價值與總結(jié)
M²因子測量在激光加工、光學通信、醫(yī)療設備等領域具有重要應用價值。通過本次實驗，我們不僅掌握了專業(yè)的測量方法，還深入理解了光束質(zhì)量對激光系統(tǒng)性能的影響。
溫馨提示：進行光束質(zhì)量分析時，務必注意激光安全，合理選擇衰減方案，并確保設備校準準確。