激光束的特征参数与测量方法专业：学号：学生姓名：指导教师：摘要自我国自主研发出第一台激光器后，我国的激光技术得到了快速发展，由于激光具有独特的特性使其得以在许多行业被应用及发挥着重要作用。

如：科学研究、军事应用、日常生活等。

在研发激光的时我们很关心激光的参数及测量方法。

研究激光的基本参数有光斑的大小、激光功率、发散角、2M因子等。

光束质量是衡量激光光束优劣的一项重要指标。

历史上光束质量有多种定义，曾针对不同的应用目的提出过不同的评价方法。

而光束传输(2M)因子在无光阑限制的近轴光学系统中由光束自身的分布特性唯一确定，与光学系统参数无关，且同时反映光束的近场和远场特性，在数学上又具有严密性，所以在某些情况下，它是评价激光光束质量的一个重要参数。

本文通过对激光的特征参数及质量评估参数的定义和测量方法做系统的介绍，帮助日常生活中进行激光器的选择应用，同时对激光的质量评价有了更深的了解。

关键词：光束质量；M2因子；基本参数；测量方法The characteristic parameters of laser beams and itsmeasurement methodsAbstractWith the increasing development of laser, the application of laser has penetrated intoavariety of fields such as scienc,technology,military and social development .how to define and measure its parameters is a popular and significant topic for scholars to discuss and study .Such as the light optical spot area,laser power ,angle of divergence beam, propagation factor.Beam quality is an important index. There are many definitions of beam quality. Also there are some different evaluating ways based on different applications. While passing through a paraxial optical system without aperture, beam propagation factor is only determined by the distributing characteristics of beam itself. Beam propagation factor has nothing to do with the optical system parameter. It reflects the features of near-field and far-field and is mathematically tight. So in certain circumstances, it is an important parameter to evaluate the beam quality.This article give a reasonable guide on the choice of laser device by elaborating the definition and measure methods of the feature parameters and quality evaluation parameters of laser.as the same time,helping us have a deeper understanding on quality evaluation of laser.Keyword: beam quality; M2factor; parameter; measurement methods目录摘要 (Ⅰ)Abstract (Ⅱ)目录 (Ⅲ)第一章绪论 (1)1.1 激光简介 (1)1.2激光基本原理 (2)1.2.1光子的基本性质 (2)1.2.2 光的受激辐射放大 (3)1.3激光光束相关参数 (5)1.3.1基膜高斯光束的参数 (5)1.3.2激光质量评估参数 (6)1.4影响光束参数的因子 (8)1.5论文研究意义和内容安排 (8)第二章高斯光束的特征参数 (10)2.1高斯光束概述 (10)2.1.1光强分布特点 (10)2.1.2相位分布特点 (12)2.1.3瑞利长度(共焦参数)Z0 (13)2.2基模高斯光束 (13)2.3基模高斯光束在自由空间的传输规律 (14)2.4基模高斯光束的特征参数 (15)2.5基模高斯光束特征参数测量方法 (17)2.5.1光斑半径测量 (17)2.5.2发散角的测量 (19)2.6氦氖激光器的光斑半径及发散角测量 (21)2.7高阶高斯光束 (24)2.8本章小结 (26)第三章激光光束质量评价参数 (27)3.1 M2因子 (29)3.1.1广义截断二阶矩法 (30)3.1.2渐近分析法 (31)3.1.3 自收敛束宽法 (32)3.2光束M2因子测量方法 (32)3.3脉冲激光光束质量的测量 (34)3.4其他质量评估参数 (35)3.5实际激光光束质量的评价 (38)3.6本章小结 (39)第四章总结与展望 (40)参考文献 (41)致谢 (42)附录 (43)第一章绪论自激光产生以来，对激光产生和发射的研究已经发展得很成熟，随着激光应用的广泛深入，对激光参数的定量测量也越来越重要。

光束质量的定义、各种实际测量方法的比较、任意光束经实际光学系统的传输是光束传输领域有待解决的基本问题。

20世纪90年代初Siegman 对描述激光光束质量的2M因子给出较为完整的理论，对光束主要特征量如光束质量、束宽和远场发散角及其传输变换的研究也进入了一个新的层次,已延拓至非衍射转换极限非高斯光束的实际任意光束。

这一基于二阶矩定义的光束质量的2M因子,可以更客观、至少在物理上更客观地评价某些特殊光学元件和激光系统。

但各种评价方法都存在着适用范围和局限性,各种光束质量的定义对应于不同的应用目的,所反映光束质量的侧重点也不同,因此光束质量的好坏,应视具体的应用目的做出评价。

值得说明的是大多数激光器均是以一个趋近于高斯分布的模式振荡。

所谓趋近于高斯分布，并非是严格的高斯分布，但基于高斯分布的一些近似结果在许多实际问题中是足够精确的。

因此对于高斯光束的研究成为研究激光光学的必要组成部分。

1.1 激光简介在世界上第一台红宝石激光器问世不久，1960年底，工作在贝尔实验室的贾范发明了世界上第一台氦氖激光器，并且在其影响下产生出一系列气体激光器。

此后，1962年出现了半导体激光器，1965年发明了第一台YAG(忆铝石榴石)激光器，1968年开始发展高功率二氧化碳激光器。

1971年出现了第一台商用IkwcoZ激光器。

高功率激光器的研制成功，为激光应用技术的迅速发展创造了必不可少的前提条件。

我国第一台固体红宝石激光装置是1961年在中国科学院长春光机所成功运行的，第一台气体激光装置(He一e激光器)于1963年在长春光机所运成功行。

其后在该所相继建立了砷化嫁半导体激光器，氟化钙激光器，铆玻璃激光器，转镜Q开关激光器等。

激光的出现是对传统光源的一次革命，它应用于工业、农业、军事、交通、科研以及日常生活等几乎所有的国民经济领域。

作为高技术重要组成部分之一的激光技术，是21世纪科学技术发展的重要标志和现代信息社会光电子技术的重要支柱之一。

其发展不仅受到技术先进国家的高度重视，也受到许多发展中国家的重视，并给予高额的投入。

激光应用可分为两类：一类是激光作为信息的载体的应用;一类是激光作为能量的载体的应用。

具体的说其应用有，工业激光材料加工、激光焊接、激光切割等等。

这些都归因于激光的一下特性：1、单色性好：普通光源发射的光子，在频率上是各不相同的，所以包含有各种颜色。

而激光发射的各个光子频率相同，因此激光是最好的单色光源。

2、相干性好：由于受激辐射的光子在相位上是一致的，再加之谐振腔的选模作用，使激光束横截面上各点间有固定的相位关系，所以激光的空间相干性很好（由自发辐射产生的普通光是非相干光）。

激光为我们提供了最好的相干光源。

3、方向性好：激光束的发散角很小，大约只有0.001弧度，几乎是一平行的光线，激光照射到月球上形成的光斑直径仅有1公里左右。

而普通光源发出的光射向四面八方，为了将普通光沿某个方向集中起来常使用聚光装置，但即便是最好的探照灯，如将其光投射到月球上，光斑直径将扩大到1000公里以上。

4、亮度高：激光的亮度可比普通光源高出1012－1019倍，是目前最亮的光源，强激光甚至可产生上亿度的高温。

1.2 激光基本原理1.2.1光子的基本性质光是一种以光速c运动的光子流，光子（电磁场量子）和其他基本粒子一样，具有能量、动量和质量等。

它的粒子属性（能量、动量、质量等）和波动属性（频率、波矢、偏振等）有密切联系。

1光子的能量ε与光波频率ν对应εhν=（1.1）10-J•s称为普朗克常数。

式中h=6.626×342光子具有运动质量m，并可表示为22c h c m νε==（1.2）光子的静止能量为零。

3光子的动量P 与单色平面波的波矢k 对应k n h n c h n mc P =⨯===00022λππν （1.3） 式中，02,2n k h λππ==，0n 为光子运动方向（平面光波传播方向）上的单位矢量。

4光子具有两种可能的独立偏振状态，对应于光波场的两个独立偏振方向。

5光子具有自旋，并且自旋量子数为整数。

因此大量光子的集合，服从玻色-爱因斯坦统计规律。

处于同一状态的光子数目是没有限制的，这是光子与其他服从费米统计分布的重要区别。

1.2.2 光的受激辐射放大微观粒子都具有特定的一套能级（通常这些能级是分立的）。

任一时刻粒子只能处在与某一能级相对应的状态（或者简单地表述为处在某一个能级上）。

与光子相互作用时，粒子从一个能级跃迁到另一个能级，并相应地吸收或辐射光子。

光子的能量值为此两能级的能量差△E ，ν=△E/h光与物质的相互作用时，处在高能级E 2上的粒子除自发辐射外，还可以另一种方式跃迁到较低能级。

当ν=（E 2-E 1）/h 的光子入射时，也会引起粒子以一定的概率，迅速地从能级E 2跃迁到能级E 1，同时辐射一个与外来光子频率，相位，偏振态，以及传播方向都相同的光子，这个过程称为光的受激辐射。