5、激光光束特性表征：M²模型解析

激光光束特性表征：M²模型解析

1. 激光光束轮廓测量基础

在激光光束的研究中，准确测量光束的特性至关重要。首先，需要在光束中插入一个足够大的线性功率探测器，其具有均匀敏感的区域，以捕获光束的总功率。探测器的灵敏度要能测量到总功率的约1%，响应速度要能如实再现随时间变化的传输功率。

将掩模安装在平移台上，置于探测器前方，垂直于光束轴移动或扫描以记录光束轮廓。能完成这些功能的仪器称为光束轮廓仪。基于电荷耦合器件（CCD）相机的光束轮廓仪，通过软件控制对电子像素数据进行掩模操作。

光束的传播方向定义为z轴，扫描方向通常沿着光束光斑的主直径之一。对于椭圆形光斑，主直径是椭圆的长轴和短轴（对于厄米 - 高斯模式则是矩形轴）。主传播平面（x, z）和（y, z）是包含主光斑直径的平面。

2. 不同扫描方法的光束轮廓

不同的扫描方法会得到不同的光束轮廓，主要有针孔、狭缝和刀口三种扫描方式。以图1.8为例，展示了基模和甜甜圈模式（TEM₀₁）的理论光束轮廓（辐照度与平移距离的关系）。
| 模式 | 针孔扫描 | 狭缝扫描 | 刀口扫描 |
| — | — | — | — |
| 基模（TEM₀₀） | 图1.8(a) | 图1.8(b) | 图1.8(c) |
| 甜甜圈模式（TEM₀₁） | 图1.8(d) | 图1.8(e) | 图1.8(f) |

不同方法得到的直径结果不同，例如甜甜圈模式与基模直径的比值，针孔、狭缝和刀口方法分别为1.51、1.42和1.53。原因在于不同方法产生的轨迹形状不同。针孔会穿过甜甜圈的中心孔并记录中心为零；狭缝垂直穿过整个光斑，穿过孔时记录到传输下降但不会