作者：李gh 时间：2025-11-04
M²= 实际光束的束腰半径 × 实际光束的发散角 / 理想基模高斯光束的束腰半径 × 理想基模高斯光束的发散角。这个概念的提出源于激光理论与实践的差距。虽然很多激光器设计目标是输出完美的基模高斯光束（TEM₀₀），但由于激光腔设计缺陷、增益介质不均匀或光学元件失调等因素，输出光束往往会包含高阶横模，导致光束质量下降。M²因子正是为了将实际光束与这个理想的“黄金标准”进行比较而设计的。本文基于DataRay Inc.的技术资料，阐述了激光光束质量的核心评价指标——M²因子。文章解释了M²的物理意义、其重要性，并介绍了DataRay公司提供的先进M²测量解决方案及其产品优势。
第一，什么是M²因子？M²（M平方）是一个无量纲的参数，用于量化真实激光光束的质量。
-理想光束：一个完美的基模高斯光束，其M²值等于 1。
-真实光束：任何实际的光束其M²值都 大于 1。M²值越接近1，代表光束质量越高，越接近理想的衍射极限性能。
-束腰半径 (ω₀)：光束最细处的半径，是衡量光束聚焦能力的核心参数。
-瑞利范围 (Z_R)：从束腰位置到光束半径增大到√2倍束腰半径的距离。在此范围内，光束可以被认为是近似平行的，是聚焦深度的度量。
-发散角 (θ)：光束远场的发散程度，θ = M² × λ / (π ω₀)。M²值越大，发散角越大。
图1：两条光束的束宽半径随z轴位置的变化关系
理论上完美的高斯光束（实线）的激光光束质量M²值为1，而第二条光束（虚线）的激光光束质量M²值大于1。
图2：光束半径随传播距离的变化示意图
第二，DataRay的光斑轮廓分析仪M²测量解决方案。DataRay Inc. 提供了一整套强大且易用的光束质量分析工具，专门用于精确测量M²因子。
图3：DataRay光斑分析仪的M2测量计算结果。
系统核心组成：
-光束质量分析仪：高精度的相机式光斑轮廓分析仪，用于捕获不同传播距离上的光束剖面（Beam Profile）。
-自动平移台：精密控制分析仪沿光束传播方向（Z轴）移动，以采集多个位置的光斑数据。
-专业软件：它自动化控制整个测量流程，并依据ISO 11146标准对采集到的数据进行拟合计算，最终输出准确的M²值、束腰位置、束腰半径、发散角等全套参数。
图4： Beam'R2光斑分析仪 和 M2DU 导轨
图5：M2DU-50/200导轨
第三，为什么M²测量至关重要？M²因子是评估激光器性能和应用适用性的关键指标，其重要性体现在：
-聚焦能力：M²值直接决定了激光束能否被聚焦到一个极小的、能量高度集中的光斑上。M²值越低，聚焦光斑越小，功率密度越高。
-光束发散性：M²值低的光束在传播过程中发散更慢，能量能传输得更远而保持集中。
-应用性能导向：在许多高端应用中，光束质量直接决定最终效果。
-激光加工（切割、焊接、钻孔）：M²值越低，加工精度越高，切缝更窄，热影响区更小。
-非线性光学（如倍频）：高效的非线性转换过程要求极高的光束质量。
-光通信与遥感：低M²值光束能减少远距离传输中的能量损失。
-医疗与美容激光：关系到治疗的准确性和安全性。
-激光器研发与质检：制造商使用M²作为衡量产品性能和质量控制的核心标准。
