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1、激光光束激光光束质量量评价价-M2哈特曼小哈特曼小组组：刘刘敏敏时时 洪磊洪磊 张张天天 都都颍颍Your company sloganYour company slogan什么是激光什么是激光?激光是一种新光源。是激光是一种新光源。是激光是一种新光源。是激光是一种新光源。是由激光器产生的一种受由激光器产生的一种受由激光器产生的一种受由激光器产生的一种受激跃迁辐射光。激跃迁辐射光。激跃迁辐射光。激跃迁辐射光。这种光具有一切光的共这种光具有一切光的共这种光具有一切光的共这种光具有一切光的共性性性性,还具有其它光所没还具有其它光所没还具有其它光所没还具有其它光所没有的特点。有的特点。有的特点。有的

2、特点。Your company sloganYour company slogan亮度高亮度高相干性好相干性好相干性好相干性好 方向性好方向性好 单色性好单色性好激光的特点激光的特点激光的特点激光的特点Your company sloganYour company slogan激光的特点激光的特点亮度高亮度高亮度高亮度高方向性好方向性好方向性好方向性好单色性好单色性好单色性好单色性好相干性好相干性好相干性好相干性好由于激光的发由于激光的发由于激光的发由于激光的发射能力强和能射能力强和能射能力强和能射能力强和能量的高度集中，量的高度集中，量的高度集中，量的高度集中，所以亮度很高，所以亮度很高，所

3、以亮度很高，所以亮度很高，它比普通光源它比普通光源它比普通光源它比普通光源高亿万倍，比高亿万倍，比高亿万倍，比高亿万倍，比太阳表面的亮太阳表面的亮太阳表面的亮太阳表面的亮度高几百亿倍。度高几百亿倍。度高几百亿倍。度高几百亿倍。激光发射后发激光发射后发激光发射后发激光发射后发散角非常小，散角非常小，散角非常小，散角非常小，激光射出激光射出激光射出激光射出2020公里，光斑直公里，光斑直公里，光斑直公里，光斑直径只有径只有径只有径只有20203030厘米，厘米，厘米，厘米，激光射到激光射到激光射到激光射到3838万公里的月球万公里的月球万公里的月球万公里的月球上，其光斑直上，其光斑直上，其光斑直上

4、，其光斑直径还不到径还不到径还不到径还不到2 2公公公公里。里。里。里。光的颜色由光的光的颜色由光的光的颜色由光的光的颜色由光的不同波长决定，不同波长决定，不同波长决定，不同波长决定，不同的颜色，是不同的颜色，是不同的颜色，是不同的颜色，是不同波长的光作不同波长的光作不同波长的光作不同波长的光作用于人的视觉的用于人的视觉的用于人的视觉的用于人的视觉的不同而反映出来。不同而反映出来。不同而反映出来。不同而反映出来。激光的波长基本激光的波长基本激光的波长基本激光的波长基本一致，谱线宽度一致，谱线宽度一致，谱线宽度一致，谱线宽度很窄，颜色很纯，很窄，颜色很纯，很窄，颜色很纯，很窄，颜色很纯，单色性很

5、好。由单色性很好。由单色性很好。由单色性很好。由于这个特性，激于这个特性，激于这个特性，激于这个特性，激光在通信技术中光在通信技术中光在通信技术中光在通信技术中应用很广。应用很广。应用很广。应用很广。相干性是所有波相干性是所有波相干性是所有波相干性是所有波的共性，但由于的共性，但由于的共性，但由于的共性，但由于各种光波的品质各种光波的品质各种光波的品质各种光波的品质不同，导致它们不同，导致它们不同，导致它们不同，导致它们的相干性也有高的相干性也有高的相干性也有高的相干性也有高低之分。普通光低之分。普通光低之分。普通光低之分。普通光是自发辐射光，是自发辐射光，是自发辐射光，是自发辐射光，不会产生

6、干涉现不会产生干涉现不会产生干涉现不会产生干涉现象。激光不同于象。激光不同于象。激光不同于象。激光不同于普通光源，它是普通光源，它是普通光源，它是普通光源，它是受激辐射光，具受激辐射光，具受激辐射光，具受激辐射光，具有极强的相干性有极强的相干性有极强的相干性有极强的相干性所以称为相干光所以称为相干光所以称为相干光所以称为相干光Your company sloganYour company slogan激光高斯光束的特性激光高斯光束的特性激光作为一种光源，其光束截面内的光强分布激光作为一种光源，其光束截面内的光强分布激光作为一种光源，其光束截面内的光强分布激光作为一种光源，其光束截面内的光强分布

7、是不均匀的，即光束波面上各点的振幅是不相是不均匀的，即光束波面上各点的振幅是不相是不均匀的，即光束波面上各点的振幅是不相是不均匀的，即光束波面上各点的振幅是不相等的。等的。等的。等的。Your company sloganYour company slogan激光高斯光束的特性激光高斯光束的特性激光光束波面的振幅呈高斯激光光束波面的振幅呈高斯激光光束波面的振幅呈高斯激光光束波面的振幅呈高斯(Guass)(Guass)型函数分布，所以激光型函数分布，所以激光型函数分布，所以激光型函数分布，所以激光光束又称为高斯光束。光束又称为高斯光束。光束又称为高斯光束。光束又称为高斯光束。Your compa

8、ny sloganYour company slogan激光是以双曲激光是以双曲线形式形式传播播Your company sloganYour company slogan传播理播理论 1 1 2 2 3 3由于激光的相干性好，就导致了激光的传输过程中容易发生衍射和干涉。经典的标量衍射理论最初是1678年惠更斯提出的，1818年菲涅耳引入干涉的概念补充了惠更斯原理。在工程光学和傅里叶光学上，已知传播过程中任意一个位置的光强和相位分布，用惠更斯菲涅尔衍射理论可以计算出任意位置的光强分布。Your company sloganYour company slogan光束近光束近场和和远场计算算近场衍

9、射近场衍射近场衍射近场衍射 或称菲涅尔衍射。是指在光源和障碍物间距离为有限远或称菲涅尔衍射。是指在光源和障碍物间距离为有限远或称菲涅尔衍射。是指在光源和障碍物间距离为有限远或称菲涅尔衍射。是指在光源和障碍物间距离为有限远的情况下发生的衍射。的情况下发生的衍射。的情况下发生的衍射。的情况下发生的衍射。远场衍射远场衍射远场衍射远场衍射 在工程光学中，认为远场即光源和观察幕与障碍物（孔在工程光学中，认为远场即光源和观察幕与障碍物（孔在工程光学中，认为远场即光源和观察幕与障碍物（孔在工程光学中，认为远场即光源和观察幕与障碍物（孔或屏）之间的距离均为无穷远。此时为菲涅尔衍射的特例，或屏）之间的距离均为无

10、穷远。此时为菲涅尔衍射的特例，或屏）之间的距离均为无穷远。此时为菲涅尔衍射的特例，或屏）之间的距离均为无穷远。此时为菲涅尔衍射的特例，可以直接通过夫琅禾费衍射计算出远场的光强分布。可以直接通过夫琅禾费衍射计算出远场的光强分布。可以直接通过夫琅禾费衍射计算出远场的光强分布。可以直接通过夫琅禾费衍射计算出远场的光强分布。Your company sloganYour company slogan 激光光束激光光束质量量评价背景价背景目前各种激光器在工业加工、生物医疗、科目前各种激光器在工业加工、生物医疗、科学研究等各个领域内广泛应用，激光束质量学研究等各个领域内广泛应用，激光束质量成为大家所关心的

11、一个重要的技术性能指标成为大家所关心的一个重要的技术性能指标,对于其应用是至关重要的对于其应用是至关重要的。例如例如,高质量的光束在很大程度上可提高高质量的光束在很大程度上可提高激光武器的作战能力。激光武器的作战能力。Your company sloganYour company slogan激光的激光的应用用Your company sloganYour company sloganM2 光束质量因子 这些参数都有一定的片面。所以，要完整地这些参数都有一定的片面。所以，要完整地这些参数都有一定的片面。所以，要完整地这些参数都有一定的片面。所以，要完整地评价光束质量，单独用一种评价标准来评价光

12、束评价光束质量，单独用一种评价标准来评价光束评价光束质量，单独用一种评价标准来评价光束评价光束质量，单独用一种评价标准来评价光束质量都将存在它自己的局限。质量都将存在它自己的局限。质量都将存在它自己的局限。质量都将存在它自己的局限。聚集聚集聚集聚集光斑光斑光斑光斑尺寸尺寸尺寸尺寸斯特斯特斯特斯特列尔列尔列尔列尔比比比比远场远场远场远场发散发散发散发散角角角角衍射极衍射极衍射极衍射极限倍数限倍数限倍数限倍数评价激光的主要方法价激光的主要方法Your company sloganYour company slogan光束光束质量因子的提出量因子的提出 1988 1988年，年，A.E.Siegma

13、nA.E.Siegman利用无量纲的量利用无量纲的量利用无量纲的量利用无量纲的量光束质量因子（光束质量因子（光束质量因子（光束质量因子（）较科学合理地描述了）较科学合理地描述了）较科学合理地描述了）较科学合理地描述了激光束质量激光束质量激光束质量激光束质量,更精确地体现出激光光束的可聚焦更精确地体现出激光光束的可聚焦更精确地体现出激光光束的可聚焦更精确地体现出激光光束的可聚焦性能，成为激光光束品质评估和控制的理论基性能，成为激光光束品质评估和控制的理论基性能，成为激光光束品质评估和控制的理论基性能，成为激光光束品质评估和控制的理论基础。在国际标准化组织（础。在国际标准化组织（础。在国际标准化组

14、织（础。在国际标准化组织（ISOISO）的会议上，提）的会议上，提）的会议上，提）的会议上，提出了采用出了采用出了采用出了采用 因子作为统一的光束质量标准，克因子作为统一的光束质量标准，克因子作为统一的光束质量标准，克因子作为统一的光束质量标准，克服了常用的光束质量评价方法的局限，对激光服了常用的光束质量评价方法的局限，对激光服了常用的光束质量评价方法的局限，对激光服了常用的光束质量评价方法的局限，对激光光束的评价具有重要意义。光束的评价具有重要意义。光束的评价具有重要意义。光束的评价具有重要意义。Your company sloganYour company slogan 光束光束质量因子理

15、量因子理论基基础光束质量因子的理论基础：光束质量因子的理论基础：光束质量因子的理论基础：光束质量因子的理论基础：束腰的束宽和远场发散角的乘积不变原理。束腰的束宽和远场发散角的乘积不变原理。束腰的束宽和远场发散角的乘积不变原理。束腰的束宽和远场发散角的乘积不变原理。于是人于是人们就想出，如果找到就想出，如果找到这样一个一个标准常数，那么准常数，那么任何一束具体的激光就可以把任何一束具体的激光就可以把这个常数作个常数作为用来衡量自己的用来衡量自己的尺子。理想高斯光束的尺子。理想高斯光束的这个常数就被定个常数就被定义为标准尺，任何光准尺，任何光束的束的这个常数与个常数与标准常数的比准常数的比值被定被

16、定义成了光束成了光束质量（量（）。）。Your company sloganYour company slogan光束光束质量因子的量因子的测量原理量原理 可知：在近轴条件下,。因子越大,则光束质量越差。为实际光束束腰宽度,为光束远场发散角。由上式可知,对激光束质量因子 的测量,归结为光束束腰宽度 和光束远场发散角 的测量。Your company sloganYour company slogan激光光束参数激光光束参数束腰束腰束腰：束腰是光束宽度取最小值的位置，束腰也是能量最集中的地方。Your company sloganYour company slogan激光光束参数激光光束参数发散

17、角散角光束发散角 激光束在腰部最细,随着离腰部距离的逐渐增大,光束的有效截面逐渐变粗,也就是激光束具有一定的发散性质,发散程度用发散角表示。对于某些激光器,其远场可能距激光器很远,直接测量远场发散角十分不方便。根据拉格朗日不变式,可采用聚焦光束测量法,即在透镜的像方焦点处,测得光束直径为Df,则光束发散角表示为:=Df/f 对于非对称的激光光束,应求出x,y 方向上相应的发散角x,yYour company sloganYour company sloganM2 评价激光束的价激光束的质量具有重要特点量具有重要特点M2 表示实际光束偏离基模高斯光束的程度1 M2 综合描述了光束的质量,光束远场和近场特性2 光束通过理想光学系统后M2 因子不变3Your company sloganYour company sloganM2 激光束的激光束的质量量评价的局限性价的局限性它要求光束截面上光强分布必须是连续的1不能有陡直的边缘，如超高斯光束、圆环光束2