11、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. 激光光束不对称性及其影响

激光光束的不对称性若转换到等效透镜的激光端，会对 1 - 空间光束常数产生极大影响。要产生如此大的“像散直径二次比”参数，需要输入光束具有极为恶劣的特性。在 1 - 空间中，束腰不对称性、像散和发散不对称性都会有较大百分比的变化。实际上，具有如此大不对称性的激光会被激光制造商拒收，扫描器制造商也无需处理这类激光。若激光光束的不对称性在扫描表面达到 P = 1.12，这样的激光无法投入实际应用。

在实际测试中，对激光最严格的规格要求来自情况 A，即要求在熔池表面的束腰不对称性不超过 10%。为了使熔池处的光斑圆度符合要求，分析得出激光端的归一化像散应小于 12%，束腰和发散不对称性应小于 8%。从图 1.1Z 中测试的激光数据来看，这些数值很容易满足。在实际设定激光规格时，还应进行更多示例分析，包括从激光端开始计算扫描光束中产生的不对称性。

2. M² 模型概述

M² 模型通过对理想基模光束方程进行推广，来描述实际光束。任何实际光束，无论是否由稳定激光谐振腔的模式组成，在所有传播距离 z 上，其直径都比其内含的高斯光束大 M 倍。在方程中，将内含高斯光束的 1/e² 半径 w 替换为 W/M（W 为实际光束半径），这一替换推广了光束传播和光束 - 透镜变换方程。

实际光束的束腰直径 2W₀ 比内含高斯光束大 M 倍，其发散速率也大 M 倍。所有衍射受限光束都具有高斯辐照度分布，束腰直径为 2W₀ 的光束，若比内含高斯光束大 M 倍，则其发散速率是内含高斯光束的 1/M。因此，实际光束的发散角是衍射极限的 M² 倍。这表明 M² 是一个在自由空间传播或通过透镜传输时不变的光束