光束质量与哪些因素有关？

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探索光纤激光器的精密指标：BPP（M2）深度解析

在激光加工的世界中，BPP（Beam-parameter product）是衡量光束质量的黄金标准，对于精密加工和宏观加工的卓越性能起着决定性作用。BPP是一个常数，它定义了激光光束在空间中的发散特性。当通过光学系统调节束腰或聚焦点时，BPP的改变直接影响到激光的指向性和稳定性。

走进M2的世界
BPP与波长紧密相关，公式BPP/M2=λ/π揭示了它们之间的联系。M2，即归一化后的BPP，代表了波长对BPP的标准化，计算公式为M2=BPP/（λ/π）。直观地说，BPP可以通过束腰半径ω0（即光纤芯径的一半）和远场发散角θ来表达，即BPP=ω0×θ。M2小意味着光束质量更优，发散角控制得更出色。

光束质量的衡量与应用
光束质量的评估通常通过M2分析仪来完成，但高精度测量并非易事，特别是对于高功率激光器，需要精心设计的衰减系统。通过光纤芯径R和数值孔径NA，可以估算出BPP的值，如ω0=R和θ=NA（以弧度表示）。

激光器的光束质量与功率亮度
在1.08um光纤激光器中，单模M2=1，BPP为0.344 mm mrad，而10.6um的CO2激光器单模M2=1时，BPP为3.38 mm mrad。这意味着，即使聚焦后发散角相同，CO2激光器的焦点直径是光纤激光器的10倍。高亮度激光器不仅要求高功率，还要求BPP小，以确保光束质量的优异性能。

合束技术的秘密
为提升激光输出功率，多模块激光器通过合束技术集成，而合束后的光束质量与单模质量有关。合束后，亮度守恒，即BrIN>BrOUT，意味着输出光纤芯径DOUT与输入单模光纤芯径DIN的关系为DOUT>sqrt(N)×DIN，其中N为模块数。

瑞利长度的重要性
瑞利长度ZRayleigh，与光束的稳定性息息相关。它与束腰半径平方成正比，与BPP成反比。这意味着，激光器的BPP越小，光束在切割厚材料时，能量分布更均匀，从而提升切割精度和稳定性。

总结来说，BPP作为光纤激光器的关键参数，不仅影响加工性能，还直接决定了激光器的亮度、合束后的光束质量和切割精度。理解并优化这个参数，对于选择和使用光纤激光器至关重要。