激光光束質量是激光器的一個重要技術指標，是從質的方面來評價激光的特性。但是，較長時期以來，對光束質量一直沒有確切的定義，也未建立標準的測量方法，對科研和應用都帶來了不便。
1988年，A.E.Siegman引入了一個無量綱的量-光束質量因子參數，較科學合理地描述了激光光束質量，并被國際標準化組織1991年的ISO/TC172/SC9/WG1標準草案采納，激光光束質量因子的研究和測量也成為近幾年研究的熱點。
原衍射極限倍數因子、斯特列爾比、環圍能量比、M2因子或其倒數K因子(光束傳輸因子),各種光束質量的定義對應于不同的應用目的,所反映光束質量的側重點也不同。光束質量的好壞,應視具體的應用目的作出評價。
光束質量是從質的方面來評價激光的特性,對激光器設計、制造、檢測、應用等有重要作用。探討如何完善光束質量因子的普適性,分析影響光束質量的因素,并進行控制,具有重要意義。
對于分析遠程激光測距和激光測高的精度來說，測距光束質量檢測是其中重要的環節，特別是光束的能量分布狀況以及發散角和束寬的大小，對測距回波的影響較明顯，而激光光束質量因子比較能反映測距激光的質量，提高測量的精度。
原衍射極限倍數因子定義為被測實際光束遠場發散角與理想光束遠場發散角的比值,其表達式為
遠場發射角θ用漸近線公式θ=limz→∞/w(z)z,確定w(z)為光斑寬度,z為光斑所對應的位置。在旁軸近似和光闌孔徑衍射可忽略情況下 ,自由空間中光束寬度w(z)滿足如下傳輸方程:
w2(z)=w20+(M2)2〔λ/(πw0)〕2(z-z0)2 (2)
式中z0為束腰w0所在位置。對理想高斯光束,光斑寬度w(z)用光強max值1/e2處的寬度來定義,在所定義的光斑尺寸內含有高斯光束總功率的86.5%。
原衍射極限倍數因子β主要適用于評價剛從激光器諧振腔發射出的激光束,能較合理地評價近場光束質量,它是描述激光系統光束質量的靜態性能指標,并沒有考慮大氣對激光的散射,湍流和熱暈等作用。
在激光對抗武器系統中,β主要由激光武器系統出射光束的βL和經過光束定向器的光束βD決定,便有
β值的測量依賴于光束遠場發散角的準確測量,由于激光本身的因素和在激光束傳輸過程中眾多因素的影響,使得遠場光束的強度分布中含有較多的高階空間頻率分量,強激光經衰減后用CCD接收測量光斑寬度的辦法,很難探測到光斑的高階分量,相對的空間強度分布很難反映出光斑的高階分量,所得的β值不能真實反映由于高階彌散引起的能量損失。它的準確測量要求對探測系統較高,不適合于評價遠距離傳輸的光束。
環圍能量比,也稱靶面上(或桶中)功率比,定義為規定尺寸內理想光斑環圍能量(或功率)與相同尺寸內實際光斑環圍能量(或功率)的比值的方根。其表達式為
BQ值是針對能量輸送、耦合型應用,結合光束在目標上的能量集中度進行遠場光束質量的評價。
BQ值區別于β值的是它包含了大氣的因素,是從工程應用,破壞效應的角度描述光束質量的綜合性指標,是激光武器系統受大氣影響的動態指標。BQ值把光束質量和功率密度直接聯系在一起,是能量集中度的反映,對強激光與目標的能量耦合和破壞效應的研究有著非常實際的意義。
單一的桶對光強的空間分布描述有所不足,而且必須明確理想光束的選取,從工程應用角度,用較為簡單、實用的辦法,選取與激光武器發射系統主鏡尺寸相當的實心平面波作為理想光束。
對于“硬破壞”激光武器,規范尺寸要盡可能的小,要求較高的峰值功率密度,規范尺寸以發射系統主鏡的主徑尺寸D對應的衍射極限尺寸較合適,它所含能量為系統發射總能量的84%,對于“軟殺傷”激光武器,要求靶面范圍內有較高的能量份額,較高的平均功率密度,規范尺寸可選為破壞目標的尺寸。
BQ值常用不同限孔能量測量法以及能對空間絕對能量分布測量的探測系統進行測量,要求具備可直接接收高能激光的強光陣列探測器或靶盤儀。
它是常用于評價強激光光束質量的方法,但由于高功率激光器,例如氟化氫(HF),氟化氘(DF)和氧碘化學激光器(COIL),一般采用非穩腔結構,輸出光束不是高斯光束,衡量非穩腔激光器產生激光束的質量,有一些不確定之處。
斯特列爾比定義為實際光束軸上的遠場峰值光強與具有同樣功率、位相均勻的理想光束軸上的峰值光強之比。其表達式為:
式中,Δ-激光光束的波像差,λ-激光波長。斯特列爾比因子反映了遠場軸上的峰光強,它取決于波前誤差,能較好地反映光束波前畸變對光束質量的影響。
常應用于大氣光學中,主要用來評價自適應光學系統對光束質量的改善性能。
斯特列爾比SR對高能激光武器系統自適應光學修正效果的評價有重要作用。高能激光武器系統主要包括高能激光器和光束定向器兩大分系統。
當高能激光武器系統有自適應光學修正時,僅從激光器出射光束的光束質量、光束定向器出射口光束質量以及高能激光到達靶面的光束質量還不足以反映自適應系統對高能激光在能量空間輸運中光束質量的改善,還需要對光束進行自適應修正前后的光束質量進行評價。
采用SR從相位角度反映光束質量,能較好地反映自適應系統對波前畸變的修正性能。通過對自適應光學系統開環和閉環條件下SR的測量和對比,可分析自適應光學系統的工作性能,定義
上式可以反映自適應光學系統對波前畸變的矯正效果。自適應光學系統在閉環工作條件下,也存在抖動的問題,光束的抖動會嚴重影響光束的質量。
通過對影響光束質量的主要因素進行分析,采用零點反饋補償法和補償波前畸變的方法對光束質量控制有重要實用意義。但Strehl比只反映遠場光軸上的峰光強,不能給出能量應用型所關心的光強分布。
此外,它只能粗略地反映光束質量,在光學系統設計中不能提供非常有用的指導。
激光光束質量M2因子被國際光學界所公認并由國際標準化組織(ISO)予以推薦。M2因子克服了常用光束質量評價方法的局限,用M2因子作為評價標準對激光器系統進行質量監控及輔助設計等具有十分重要的意義。
M2因子評價方法常用于低功率激光器產生光束截面上光強分布為連續的激光光束。由于采用光束的二階矩定義束寬,對測量儀器要求較高。
在亮度公式中,用激光束腰直徑來表示光源發光面積ΔS=14λd2o,用激光束遠場發散角來表示光源發射立體角ΔΨ=14πθ2f,并把d0θf積用M2因子表示出來,則激光束亮度公式就可表示:B=PΔS·ΔΨ=P(M2)2·λ2(21)這樣,激光束的特征就可以用功率、波長、光束質量幾個參數表示出來,光束質量M2因子是表征激光束亮度高、空間相干性好的本質參數。
將光場在空域及頻域的分布來表示光束質量M2因子,即M2=4πσsσsv,便可知道M2因子能夠反映光場的強度分布與相位分布的特性〕。相對其它評價方法來說,M2因子能較好地反映光束質量的實質,具有較強的普適性,并且積分地反映了光強的空間分布。
M2因子不適合于評價高能激光的光束質量,高能激光的諧振腔一般是非穩腔,輸出的激光光束不規則,將不存在“光腰”,而且,對于能量分布離散型的高能激光光束,由二階矩定義計算得到的光斑半徑與實際相差很遠。得到的M2因子誤差很大。
M2因子要求光束截面的光強分布不能有陡直邊緣,比如對于“超高斯光束”M2因子就不適用。
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