激光光束质量M2因子测量系统的设计

　　0 引言

　　随着激光技术的不断发展及高科技激光产品( 如激光加工机、激光治疗仪等) 的不断出现，如何选择一种简便、精确、实用的方法评价激光光束质量，从而科学地评价激光产品质量已成为全世界科学界研究的热门课题[1]。

　　光学界曾采用聚焦光斑尺寸法和远场发散角 β 值法等构建激光光束质量测量系统[2]。这些方法通过确定聚焦光斑的束腰尺寸和远场束散角大小来评价激光光束质量。对于同一激光光束而言，由于聚焦系统的不同，束腰尺寸大小和远场束散角大小均会发生变化。因此，采用聚焦光斑尺寸法和远场发散角 β 值法评价激光光束质量具有局限性[3]。本文采用 M2因子法，即衍射极限因子法对激光光束质量进行评价，并构建了激光光束质量 M2因子测量系统。

　　1 M²因子测量系统构成

　　1. 1 硬件构成

　　激光光束质量 M²因子测量系统硬件主要由光学部分、机械部分和电学部分这三大部分组成。系统硬件结构如图 1 所示。

　　光学部分由聚焦系统、固定衰减系统、连续衰减系统和反射光学系统组成，主要完成激光光束的聚焦和衰减; 机械部分由工作台、底座、支撑座、滚珠丝杠和联轴节等组成，为电子学部分和光学部分提供合理的工作平台; 电学部分由 CCD 相机、图像采集卡、电机、运动控制卡和计算机组成，主要负责对激光光束进行连续衰减，控制一维平移台的精确定位和相机对激光光束的多点定点采样，执行图像处理算法以及显示系统的测量结果等。

　　1. 2 软件构成

　　激光光束质量 M²因子测量系统软件主要由系统设置、步进电机控制、图像预处理、数据处理、光束参数计算和系统工具组成。系统设置主要是对图像采集卡的位数、相机的型号和电机步进距离进行初始化设置;对步进电机的控制采用自动和半自动两种方法，操作更灵活; 图像预处理模块主要对获取的激光光斑图像进行滤波降噪和伪彩处理等; 光束参数计算模块主要完成核心算法的实现，包括质心计算、束腰宽度计算和光斑轮廓投影计算等，以及执行曲线拟和算法，拟合激光光束传播的双曲线。此外，软件系统中还设计了系统工具，以提高激光光束质量测量系统软件的稳定性。

　　系统软件框图如图 2 所示。

　　2 M²因子法的原理及实现

　　2. 1 M²因子法的原理

　　M²因子法即衍射极限因子法，定义为实际激光光束的束宽积与理想基模高斯光束束宽积的比值，定义表达式如式( 1) 所示: