激光理论告诉我们，根据设计，大多数激光束应具有高斯光束形状。高斯光束的基模 (TEM 00 ) 是大多数激光系统设计人员希望实现的理想模式，主要原因有以下三个：
1、其光强在光轴上最大，使光功率和光强很好地集中;
2、它的发散度最低，因此通常被视为不会变宽的细光线;
3、它具有衍射极限，这意味着聚焦时，束腰是该特定波长可以获得的最小束腰。
但在现实生活中，没有什么是完美的，具有 TEM 00轮廓和无限扩展的钟形曲线的纯高斯光束从未实现。在本指南中，我们将向介绍使用 M2 参数测量激光束质量的概念(该参数量化激光束质量)，以及如何测量真实激光器的 M2。
我们如何定义激光束质量?
第一批激光器是在 60 年代制成的，但直到 90 年代初，才提出了一种标准测量方法，用于测量激光束与理想高斯光束的接近程度，或者换句话说，测量激光束质量。基本上，它归结为检查真实的光束腰和发散度与相同波长的理想高斯光束的比较。
光束参数积(BPP)是某些人使用的一种激光光束质量指标，它被定义为光束的最小半径(束腰半径，w 0 )与光束发散半角(θ)的乘积，在远场测量。BPP 的测量单位为 mm-mrad：BPP = θ w 0理想的高斯光束对于给定波长具有最小的 BPP。由于我们知道 θ Ideal = λ / (π w 0,ideal )，理想光束的 BPP 简化为 BPP Ideal = λ / π。虽然计算简单，但 BPP 并不是比较一种激光器与另一种激光器的最佳工具，因为它的理想值随波长而变化。西格曼提出的是通过将真实激光器的 BPP 与理想激光器的 BPP 相除，使用激光束质量的无量纲值。因此，我们获得了一个比率，该比率表明您的激光束与完美高斯光束的接近程度，西格曼将此值称为 M 2。M 2 = π θ w 0 / λM 2的一大优点 是它是无量纲的(即没有测量单位)，这使得比较不同激光器变得更加简单。另一方面，这有点违反直觉，但较低的 M 2值 比较较高的值表示更好的质量。事实上，最好的结果是M 2 = 1，并且随着M 2 值的 增加，激光的质量下降。
为什么了解激光器的光束质量很重要?
一旦定义了 M 2因子，就可以将其注入广义高斯光束传播方程中。当知道激光器的 M 2系数时，这些方程描述了真实激光束的传播方式、聚焦的紧密程度以及发散的速度。
意思是，它是死星材料还是更多的“我可以用我的激光笔惹恼你”材料。但是，从更实际的角度来说，当当前的应用是远距离成像、制造或摧毁行星时，紧密聚焦激光束尤其重要。较小的束腰意味着具有更好的分辨率以及达到更高功率密度的可能性。在光纤系统中，通常的做法是寻找 M 2接近 1 的激光器，以实现与单模光纤的良好耦合。实际梁的束腰定义为：
正如在上面的等式中所看到的，具有较低 M 2值的激光束可以比具有高 M 2值的激光聚焦得更紧密。
光束质量测量还可以让您了解激光束的发散情况。当您知道光束的发散度时，您可以预测空间中几乎任何点的激光束的大小。真实光束的光束半径定义为：
真实激光的远场发散定义为：
在上面的等式中，可以看到具有高 M 2 的激光比具有低 M 2的激光发散得更快。激光器制造商喜欢在其规格中提供 M 2系数，因为它让用户了解使用他们的激光器有多么容易。
M 2是如何计算的?
西格曼的提议因其简单性而受到欢迎，但在实验上它并不那么简单，并且这些原则产生了一些不确定性。例如，如果想在实验室中测量腰部半径，如何确保的测量设备准确定位在焦点处?
需要走多远才能在远场中测量散度?这两个数据点够吗?国际标准化组织 (ISO) 的人员决定结束所有这些混乱，因此他们编写了一个规范来解释如何正确测量和计算 M 2：ISO 11146。ISO 规范解释了一种根据一组光束直径测量值计算 M 2的方法，以最大限度地减少误差源。主要步骤如下：
1、从准直光束开始
2、使用无像差镜头对焦
3、测量焦点周围不同位置处的光束直径：至少取 10 个数据点，大约一半在焦点的第一瑞利距离内，另一半在 2 瑞利长度之外。
4、使用范数中详细说明的回归方程将双曲线拟合到 X 轴和 Y 轴的数据点。这通过最小化测量误差来提高计算的准确性。
5、从该拟合中，提取每个轴的θ、w 0、z R和 M 2的值。
ISO 规范还规定了一些有关直径测量的额外规则(特别是在使用 CCD 或 CMOS 传感器等阵列传感器时)：
● 确保直径内至少有 10 个像素。
● 使用 3 倍直径的感兴趣区域。
● 使用 D4σ 定义(二阶矩宽度)计算直径。
● 在进行测量之前，请务必消除背景噪音。
测量激光束质量需要什么设备?
在最基本的层面上，所需要的只是一个镜头、一个光束分析仪和一把尺子。虽然价格便宜，但这种方法很耗时，因此激光器需要足够稳定，以便在进行各种直径测量时其 M 2值不会波动!提高采集速度的一个简单方法是将光束分析仪安装在电动平移台上并自动进行采集。Ophir光束分析仪能满足各种需要，有的CCD镜头还附带BeamGage软件，如有需要Ophir产品可以查看《ophir激光功率能量光束轮廓分析仪》。
请记住，M 2是激光束与理想 TEM 00高斯光束的接近程度的指标。如果正在尝试开发具有非衍射光束(如贝塞尔光束)或具有环形轮廓的高阶高斯光束(或更简单地说是礼帽光束)的激光器，那么 M 2 并不是应该瞄准的指标 。它实际上没有意义，也没有多大用处。对于某些应用，仅了解光束发散度就足够了，而且更相关。
