m2激光模式的测量实验报告.pdf

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m2激光模式的测量

实验报告

篇一：M2激光模式测量

激光模式（M2）的测量

一、实验的目的和意义

如何评价一个激光器所产生的激光

光束空域质量是一个重要问题。人们根

据不同的应用需要将聚焦光斑尺寸、远

场发散角等列为衡量激光光束空域质量

的参数。但由于当激光通过光学系统后，

光束的光腰尺寸和发散角均可改变，减

小腰斑直径必然使发散角增加。因此单

独用其中之一来评价激光光束空域质量

是不科学的。人们发现：经过理想的无

像差的光学系统后“束腰束宽和远场发

散角的乘积不变”，而且可以同时描述光

束的近场和远场特性。目前国际上普遍

将“光束衍射倍率因子M”作为衡量激光

光束空域质量的参量。它的一般定义为：

M

1

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2

2

?

实际光束的腰斑半径与远场发散

角的乘积

基模高斯光束的腰斑半径与远场发

散角的乘积

（1）

激光光束传输质量因子M2是一种

全新的描述激光光束质量的参数。本实

验介绍了M2的物理概念、物理意义、

特点及测量方法。并对下面三个方面进

行了解。

123

了解M的定义；了解M2实验原理；

了解M的测试过程；

22

二、实验原理（一）、M2的物理意

义

图1

如图1所示，对于基模的高斯光束

我们可知

2

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?0??

2?

?（2）

式中

?0

是基模光束束腰半径，θ是基模光束

的远场发散角。

W0??M?0?

W0?2?

2

根据定义式（1）可知对于实际光束

有

M

2

，即

2W0?

??

?

4?

（3）

式中

W0

3

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代表实际光束的束腰半径，Θ代表

实际光束的远场发散角[3]。

下面我们根据“束腰的束宽和远场

发散角的乘积不变原理”对M进行推导。

2

图2无像差透镜对束腰和发散角的

变换

d0??d0??const

’

’

（4）

式（4）可由量子力学的测不准原理

来解释：在束腰处光子的位置不确定度

是?X,?X最小值是单模高斯光束束腰束

宽

d0

；光子的横向不确定度是

?Px?

h

?Px

,在近轴近似条件下

h?

4

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?

sin??

?（5）

式中h为普朗克常数，?最小值是单

模高斯光束远场发散角?

??4?

d0

（6）

4

?X??P?

根据测不准关系：

对一般光束束腰处有：