激光光束質(zhì)量（BPP/M2）測試系統(tǒng)的自主設(shè)計與實現(xiàn)探索

    在高功率光纖激光器的研發(fā)與應(yīng)用領(lǐng)域，光束質(zhì)量的精準(zhǔn)評估是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。當(dāng)前，市場上成熟的測試設(shè)備價格高昂（多為數(shù)十萬元級別），且國外品牌的售后服務(wù)存在諸多不便（如返廠檢修周期長達(dá)數(shù)月）。基于此，探索自主搭建一套具備實用價值的激光光束質(zhì)量測試系統(tǒng)具有重要意義。本文將從理論基礎(chǔ)、測試原理、技術(shù)方案及工程考量等方面，系統(tǒng)闡述該系統(tǒng)的設(shè)計思路。

    核心參數(shù)：BPP與M2的物理內(nèi)涵及關(guān)聯(lián)

    光束質(zhì)量的評價主要依賴兩個核心參數(shù)：光束參數(shù)積（BPP）與M2因子。對于多模高功率激光，BPP（表達(dá)式為BPP=ω?·θ，其中ω?為束腰半徑，θ為遠(yuǎn)場發(fā)散角半角）是常用評價指標(biāo)，其數(shù)值越小，表明光束的聚焦能力越強、發(fā)散特性越優(yōu)。而類單模光纖激光則多采用M2因子，該無量綱參數(shù)用于衡量光束相對于理想基模高斯光束（M2=1）的偏離程度，數(shù)值越接近1，光束質(zhì)量越優(yōu)異。

    從物理本質(zhì)而言，BPP與M2描述的是同一物理特性（光束的發(fā)散與聚焦能力），二者存在明確的數(shù)學(xué)關(guān)聯(lián)：BPP=(M2·λ)/π（λ為激光波長）。因此，只要測得束腰半徑ω?與遠(yuǎn)場發(fā)散角θ，即可通過公式推導(dǎo)得到BPP與M2。

    測試原理：聚焦變換與數(shù)據(jù)擬合方法

    直接測量高功率激光的束腰與發(fā)散角存在顯著困難：準(zhǔn)直輸出光束的發(fā)散角極小，難以直接捕捉；而帶輸出頭（如QBH/LLKD類型）的激光，其束腰位置往往難以定位。解決思路基于理想光學(xué)元件的ABCD矩陣變換特性——理想透鏡僅改變束腰大小與發(fā)散角的數(shù)值（二者成反比），但不改變BPP與M2的值。通過透鏡聚焦，光束在焦點附近呈現(xiàn)明顯的束腰與發(fā)散特征，便于精確測量。

    具體測試流程為：采用凸透鏡聚焦激光后，在焦點兩側(cè)約兩個瑞利長度（束腰半徑擴(kuò)大至√2倍ω?的范圍）內(nèi)，利用CCD相機掃描2025個點位的光斑直徑。將掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行雙曲線擬合及漸近線擬合，獲取最小半徑ω?與發(fā)散角θ，再代入公式計算BPP（BPP=ω?·θ），進(jìn)而通過BPP=(M2·λ)/π推導(dǎo)得到M2。

    關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)：高功率的安全衰減方案

    高功率光纖激光器輸出功率可達(dá)數(shù)千瓦至數(shù)萬瓦，而CCD相機的功率密度耐受極限僅為幾mW/cm2，如何將功率安全衰減至相機可承受范圍是核心技術(shù)挑戰(zhàn)。解決方案基于菲涅爾反射原理，具體如下：

    1.初級衰減：利用未鍍膜鏡片的菲涅爾反射（1微米波段反射率約4%），每次反射可衰減96%功率。經(jīng)23次反射，萬瓦級功率可降至毫瓦級，透射部分由功率計或光束吸收器接收。

    2.次級衰減：在CCD前加裝可調(diào)衰減片，進(jìn)一步降低功率密度，確保相機安全工作。

    以20kW激光為例，經(jīng)3次未鍍膜鏡片反射后，功率可從20kW降至約1.3W，再通過衰減片最終降至相機可承受范圍。

    光路設(shè)計與系統(tǒng)組件配置

    一套完整的測試系統(tǒng)應(yīng)包含以下核心組件：

    衰減模塊：由多組未鍍膜反射鏡與楔形透鏡組成，通過多次反射實現(xiàn)功率衰減，透射部分由功率計或光束吸收器（beamdump）接收。

    聚焦與準(zhǔn)直單元：配備可更換聚焦透鏡（如f1=100mm、f2=75mm），配合準(zhǔn)直單元，以適配不同功率激光器的測試需求；若整機發(fā)散角過大，可采用共焦組合透鏡進(jìn)行縮小。

    掃描裝置：搭載CCD相機的滑軌（支持手動或電動控制），實現(xiàn)焦點附近的光斑掃描。

    冷卻系統(tǒng)：為高功率反射鏡、功率計等部件配備水冷裝置，避免器件因高溫?fù)p壞。

    輔助監(jiān)測：包含外部光電探測器（PD）、功率計等，用于實時監(jiān)測功率衰減狀態(tài)。

    工程實施考量

    系統(tǒng)搭建需綜合考慮多方面因素：

    兼容性：針對不同功率（數(shù)千瓦至數(shù)萬瓦）、光束質(zhì)量、輸出模式（連續(xù)或脈沖）的激光器，需預(yù)留器件更換接口與安裝位置。

    精度控制：機械結(jié)構(gòu)需保證穩(wěn)定性，減少振動對掃描精度的影響；數(shù)據(jù)擬合算法需優(yōu)化，提高ω?與θ的計算準(zhǔn)確性。

    安全設(shè)計：需聯(lián)合電子團(tuán)隊設(shè)計安全聯(lián)鎖機制，防止意外強光損傷設(shè)備或人員。

    協(xié)同研發(fā)：需機械、軟件、電子等多領(lǐng)域團(tuán)隊協(xié)作，完成器件選型、性能測試、系統(tǒng)集成等工作。

    自主搭建激光光束質(zhì)量測試系統(tǒng)，不僅能顯著降低成本，還可根據(jù)實際需求靈活調(diào)整系統(tǒng)配置。盡管在器件選型、算法優(yōu)化、系統(tǒng)集成等方面仍需解決諸多細(xì)節(jié)問題，但基于成熟的理論基礎(chǔ)與可行的工程方案，該系統(tǒng)有望滿足內(nèi)部測試需求。未來通過功能樣機的研發(fā)與迭代，其測試精度與穩(wěn)定性將進(jìn)一步提升，為高功率激光加工技術(shù)的研發(fā)提供有力支撐。