光束質(zhì)量（Beam Quality）是激光光束特性的核心參數(shù)之一。人們通常用“高方向性、高亮度、高相干性”等詞匯來概括激光光束的特征，與激光的線寬在一定程度上決定了激光的時(shí)間相干性、激光的功率與激光的亮度高度正相關(guān)類似，激光的光束質(zhì)量與激光的方向性密切相關(guān)。

因此，激光的光束質(zhì)量對(duì)激光通信、遠(yuǎn)程傳能、激光制造等領(lǐng)域的應(yīng)用效果有重要影響。

與線寬、功率等核心參數(shù)不同，光束質(zhì)量的基本概念以及相關(guān)知識(shí)尚未*得到普及。本文擬從研究歷程、相關(guān)定義與標(biāo)準(zhǔn)、測(cè)量設(shè)備、注意事項(xiàng)、新問題與新挑戰(zhàn)等幾個(gè)方面簡(jiǎn)要論述光束質(zhì)量，以期起到概念普及和拋磚引玉的作用。

研究歷程

盡管在激光器發(fā)明后不久，人們就開始關(guān)注激光光束質(zhì)量，但是相關(guān)研究文獻(xiàn)并不多，目前檢索到較早的文獻(xiàn)之一是20世紀(jì)70年代Holobeam公司發(fā)布的題為“Spot size dependence on M2”的技術(shù)公報(bào)；此外，由于CO2激光器是當(dāng)時(shí)的主流激光器類型之一，因此也有不少關(guān)于CO2激光光束質(zhì)量的文獻(xiàn)報(bào)道。

20世紀(jì)80年代起，以激光專家、斯坦福大學(xué)A.E Sigeman教授撰寫的Laser專著出版為標(biāo)志，科研人員對(duì)光腔技術(shù)物理有了深入、系統(tǒng)的認(rèn)知，對(duì)激光光束質(zhì)量的研究開始興起。人們先后舉辦了多次專項(xiàng)國(guó)際研討會(huì)，并促成了相關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的制定。

國(guó)內(nèi)對(duì)光束質(zhì)量的關(guān)注和研究相對(duì)較晚，在中國(guó)知網(wǎng)中用“標(biāo)題”項(xiàng)檢索“光束質(zhì)量”，的一篇文獻(xiàn)是1978年發(fā)表于《激光與光電子學(xué)進(jìn)展》的“用非線性光混頻技術(shù)補(bǔ)償光束質(zhì)量的劣化”一文。

20世紀(jì)70、80年代，國(guó)內(nèi)相關(guān)研究較少，公開發(fā)表的論文不到10篇（中國(guó)知網(wǎng)檢索）。20世紀(jì)90年代起，伴隨國(guó)際上研究熱潮的興起以及信息技術(shù)的普及應(yīng)用，國(guó)內(nèi)科研人員對(duì)“光束質(zhì)量”開始了全面深入的研究，目前基本實(shí)現(xiàn)了與國(guó)際同步。

相關(guān)定義與標(biāo)準(zhǔn)

與激光的“功率”、“線寬”等定義與測(cè)量方法參數(shù)不同，“光束質(zhì)量”的定義相對(duì)抽象，并且有一定的難度。

如激光技術(shù)專家、美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室研究員Ross所言，激光光束質(zhì)量的定義是將一個(gè)7維空間（3個(gè)振幅維度、3個(gè)相位維度和1個(gè)時(shí)間維度，激光的光場(chǎng)信息通常需要用上述7維空間信息方可描述）的信息降維成1個(gè)參數(shù)，這將不可避免地帶來信息損失，這也表明描述激光光束質(zhì)量比“功率”、“線寬”等參數(shù)要復(fù)雜困難的多。

目前，國(guó)內(nèi)外科研人員賦予激光光束質(zhì)量的定義不下20種，并且“學(xué)術(shù)界對(duì)這些評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的合理性和適用性還不統(tǒng)一”。國(guó)際上廣泛使用M2因子來描述光束質(zhì)量，并形成了相關(guān)ISO標(biāo)準(zhǔn)。

M2因子的計(jì)算方法是實(shí)際光束的束寬與發(fā)散角的乘積除以理想光束的束寬與發(fā)散角的乘積，其中理想光束取基模高斯光束，束寬取二階矩定義。可以證明，激光光束通過無像差光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，它的M2因子是一個(gè)傳輸不變量，且M2≥1；M2偏離1越遠(yuǎn)，激光光束質(zhì)量越差。

此外，光束參數(shù)乘積（Beam Parameters Product，BPP，束腰寬度和遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角的乘積）也經(jīng)常被用于描述激光的光束質(zhì)量，特別是固體激光和半導(dǎo)體激光。對(duì)基模高斯光束，BPP=λ/π（λ為激光的波長(zhǎng)）；實(shí)際激光光束的BPP會(huì)大于λ/π，BPP值越大，光束質(zhì)量越差。

在國(guó)內(nèi)，除了M2因子和BPP外，人們還常用β因子來描述光束質(zhì)量。β因子的定義為實(shí)際激光光束的發(fā)散角與理想光束（一般取為等同口徑的平面波）的發(fā)散角的除值，β的值一般大于1，越接近1表明光束質(zhì)量越好。從公開發(fā)表的文獻(xiàn)看，β因子的使用集中在高能激光領(lǐng)域。

目前，關(guān)于激光光束質(zhì)量，我國(guó)有兩個(gè)正在施行的標(biāo)準(zhǔn)，分別是制造用激光器光束質(zhì)量的評(píng)價(jià)和測(cè)試方法（GB/T 27666-2011）和高能激光光束質(zhì)量評(píng)價(jià)與測(cè)試方法（GB/T 32831-2016），其中后者就包括了β因子的相關(guān)規(guī)范文檔。

測(cè)量設(shè)備

由于光束質(zhì)量決定了激光的方向性，因此相關(guān)測(cè)量設(shè)備在激光通信、遠(yuǎn)程傳能、激光制造等領(lǐng)域有重要需求。早在1997年的一份文獻(xiàn)中，A.E Sigeman教授就列出了當(dāng)時(shí)常見的9家設(shè)備供應(yīng)商（如Coherent、Spiricon等）。

當(dāng)前，常用的激光光束質(zhì)量測(cè)量設(shè)備是德國(guó)Primes公司的LQM和美國(guó)Spiricon公司的M2-200，這些設(shè)備都按照ISO標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置測(cè)量程序，輸出激光的M2因子測(cè)量值，具有規(guī)范性、通用性和國(guó)際可比性。

但是，上述設(shè)備也存在價(jià)格昂貴、測(cè)量時(shí)長(zhǎng)較長(zhǎng)等“不足”，為此，科研人員還研發(fā)出了其他類型的光束質(zhì)量測(cè)量裝置，如基于散焦光柵、空間光調(diào)制器、液體透鏡或采用數(shù)字全息技術(shù)、深度學(xué)習(xí)技術(shù)等，也可以對(duì)激光的M2因子進(jìn)行測(cè)量，具有成本相對(duì)較低或者快速測(cè)量的優(yōu)勢(shì)，但普及度不如前面提到的兩款設(shè)備。

據(jù)不*統(tǒng)計(jì)，目前國(guó)內(nèi)高等院校、科研院所和企業(yè)研發(fā)部門也大都采用前述兩款設(shè)備對(duì)所研制的激光器進(jìn)行光束質(zhì)量測(cè)量，這在一定程度上也顯示了我國(guó)在儀器設(shè)備制造方面的“短板”。

注意事項(xiàng)

Ross研究員曾指出：確定光束質(zhì)量好像是一件比較容易的事情：先購(gòu)買一個(gè)光束質(zhì)量測(cè)量?jī)x，再安裝、調(diào)試、對(duì)準(zhǔn)，儀器就會(huì)告訴你激光光束質(zhì)量如何。但實(shí)際上并非如此，在使用光束質(zhì)量因子時(shí)，還存在很多需要注意的地方。如：

激光光束與光束質(zhì)量因子的對(duì)應(yīng)關(guān)系。人們一般會(huì)認(rèn)為，具有不同光場(chǎng)分布特征的激光，它們的光束質(zhì)量值是不一樣的，然而事實(shí)并非如此。下圖是A.E Sigeman教授在文獻(xiàn)中舉出的算例，左右兩幅子圖描述了兩個(gè)不同的激光強(qiáng)度分布，不失一般性，對(duì)強(qiáng)度分布進(jìn)行了積分歸一化處理，即強(qiáng)度積分值一致。從圖中可以看出，右圖所示激光光束的方向性更好（峰值強(qiáng)度更高），但是計(jì)算得出兩者M(jìn)2因子的值卻是相同的。

光束質(zhì)量因子的數(shù)值與激光模式的對(duì)應(yīng)關(guān)系。以M2因子為例，基模高斯光束的M2因子等于1；實(shí)際光束中由于高階模的存在，會(huì)使得M2的值偏離1，偏離越遠(yuǎn)表明激光光束質(zhì)量越差。同理，M2因子越接近1（比如M2<1.1），似乎可以表明激光光束中基本都是基模。然而美國(guó)政府通信實(shí)驗(yàn)室的研究人員Wielandy的計(jì)算結(jié)果表明：存在一種情形，在激光光束中的高階模成分達(dá)到30%時(shí)，M2因子值等于1.08，這容易引起對(duì)實(shí)際效果的誤判。

不同光束質(zhì)量因子的一致性。光束質(zhì)量有很多種定義方法，某些定義方法之間存在換算關(guān)系，如理想高斯光束的M2因子和β因子就可以換算，基模高斯光束的M2因子和β因子都等于1。但是，對(duì)于非高斯光束而言，往往會(huì)換算出比較難以理解的結(jié)果，而這些結(jié)果又是真實(shí)可信的。例如，加拿大Laval大學(xué)的科研人員通過嚴(yán)密的計(jì)算結(jié)果表明，單模光纖輸出的基模光束（LP01模）的M2因子會(huì)隨光纖的V值的變化而變化。具體而言，單模光纖輸出光束的M2因子取值會(huì)在1.5到接近1.0之間（具體取決于V值），盡管都是基模光束，但是理論上就不存在M2因子等于1的情形。

此外，在部分科研級(jí)的激光系統(tǒng)研制過程中，相關(guān)課題組有時(shí)還會(huì)采取自行定義的光束質(zhì)量因子（而非文獻(xiàn)公開報(bào)道的、通用的光束質(zhì)量因子），由此得出的光束質(zhì)量測(cè)量結(jié)果會(huì)引起對(duì)實(shí)際效能的誤判。

總之，光束質(zhì)量測(cè)量看似是一個(gè)簡(jiǎn)單的過程，但是對(duì)于測(cè)量結(jié)果的認(rèn)知和運(yùn)用，卻是一項(xiàng)科學(xué)性和挑戰(zhàn)性兼?zhèn)涞墓ぷ鳌；蛟S正因如此，Ross研究員在專著Laser beam quality metrics中，專門撰寫了題為“What your beam analyzer manual didn’t tell you”的章節(jié)。

結(jié)論與展望

激光光束質(zhì)量的定義和測(cè)量是伴隨激光器的產(chǎn)生、發(fā)展而發(fā)展的，目前光束質(zhì)量的定義與測(cè)量還沒有*形成共識(shí)，處于“邊研究、邊使用”的狀態(tài)。盡管如此，隨著激光科學(xué)的突破和技術(shù)的進(jìn)步，光束質(zhì)量的定義和測(cè)量還面臨著很多新的問題和挑戰(zhàn)。

具體而言，近年來廣泛出現(xiàn)的陣列光束、矢量光束等特殊空間分布的激光以及超快激光、超連續(xù)譜等特殊時(shí)頻分布的激光等，如何定義和測(cè)量這些具有特殊時(shí)空分布的激光（激光系統(tǒng)）光束質(zhì)量，已經(jīng)成為相關(guān)領(lǐng)域亟待解決的問題。

此外，目前通用設(shè)備的測(cè)量時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)（典型值是數(shù)十秒到百秒），如何實(shí)現(xiàn)實(shí)用化的激光光束的時(shí)間分辨測(cè)量以及實(shí)時(shí)在線測(cè)量，也是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的工作。