光束質量（Beam Quality）是激光光束特性的核心參數之一。人們通常用“高方向性、高亮度、高相干性”等詞匯來概括激光光束的特征，與激光的線寬在一定程度上決定了激光的時間相干性、激光的功率與激光的亮度高度正相關類似，激光的光束質量與激光的方向性密切相關。

因此，激光的光束質量對激光通信、遠程傳能、激光制造等領域的應用效果有重要影響。

與線寬、功率等核心參數不同，光束質量的基本概念以及相關知識尚未*得到普及。本文擬從研究歷程、相關定義與標準、測量設備、注意事項、新問題與新挑戰等幾個方面簡要論述光束質量，以期起到概念普及和拋磚引玉的作用。

研究歷程

盡管在激光器發明后不久，人們就開始關注激光光束質量，但是相關研究文獻并不多，目前檢索到較早的文獻之一是20世紀70年代Holobeam公司發布的題為“Spot size dependence on M2”的技術公報；此外，由于CO2激光器是當時的主流激光器類型之一，因此也有不少關于CO2激光光束質量的文獻報道。

20世紀80年代起，以激光專家、斯坦福大學A.E Sigeman教授撰寫的Laser專著出版為標志，科研人員對光腔技術物理有了深入、系統的認知，對激光光束質量的研究開始興起。人們先后舉辦了多次專項國際研討會，并促成了相關國際標準的制定。

國內對光束質量的關注和研究相對較晚，在中國知網中用“標題”項檢索“光束質量”，的一篇文獻是1978年發表于《激光與光電子學進展》的“用非線性光混頻技術補償光束質量的劣化”一文。

20世紀70、80年代，國內相關研究較少，公開發表的論文不到10篇（中國知網檢索）。20世紀90年代起，伴隨國際上研究熱潮的興起以及信息技術的普及應用，國內科研人員對“光束質量”開始了全面深入的研究，目前基本實現了與國際同步。

相關定義與標準

與激光的“功率”、“線寬”等定義與測量方法參數不同，“光束質量”的定義相對抽象，并且有一定的難度。

如激光技術專家、美國空軍研究實驗室研究員Ross所言，激光光束質量的定義是將一個7維空間（3個振幅維度、3個相位維度和1個時間維度，激光的光場信息通常需要用上述7維空間信息方可描述）的信息降維成1個參數，這將不可避免地帶來信息損失，這也表明描述激光光束質量比“功率”、“線寬”等參數要復雜困難的多。

目前，國內外科研人員賦予激光光束質量的定義不下20種，并且“學術界對這些評價標準的合理性和適用性還不統一”。國際上廣泛使用M2因子來描述光束質量，并形成了相關ISO標準。

M2因子的計算方法是實際光束的束寬與發散角的乘積除以理想光束的束寬與發散角的乘積，其中理想光束取基模高斯光束，束寬取二階矩定義?？梢宰C明，激光光束通過無像差光學系統時，它的M2因子是一個傳輸不變量，且M2≥1；M2偏離1越遠，激光光束質量越差。

此外，光束參數乘積（Beam Parameters Product，BPP，束腰寬度和遠場發散角的乘積）也經常被用于描述激光的光束質量，特別是固體激光和半導體激光。對基模高斯光束，BPP=λ/π（λ為激光的波長）；實際激光光束的BPP會大于λ/π，BPP值越大，光束質量越差。

在國內，除了M2因子和BPP外，人們還常用β因子來描述光束質量。β因子的定義為實際激光光束的發散角與理想光束（一般取為等同口徑的平面波）的發散角的除值，β的值一般大于1，越接近1表明光束質量越好。從公開發表的文獻看，β因子的使用集中在高能激光領域。

目前，關于激光光束質量，我國有兩個正在施行的標準，分別是制造用激光器光束質量的評價和測試方法（GB/T 27666-2011）和高能激光光束質量評價與測試方法（GB/T 32831-2016），其中后者就包括了β因子的相關規范文檔。

測量設備

由于光束質量決定了激光的方向性，因此相關測量設備在激光通信、遠程傳能、激光制造等領域有重要需求。早在1997年的一份文獻中，A.E Sigeman教授就列出了當時常見的9家設備供應商（如Coherent、Spiricon等）。

當前，常用的激光光束質量測量設備是德國Primes公司的LQM和美國Spiricon公司的M2-200，這些設備都按照ISO標準設置測量程序，輸出激光的M2因子測量值，具有規范性、通用性和國際可比性。

但是，上述設備也存在價格昂貴、測量時長較長等“不足”，為此，科研人員還研發出了其他類型的光束質量測量裝置，如基于散焦光柵、空間光調制器、液體透鏡或采用數字全息技術、深度學習技術等，也可以對激光的M2因子進行測量，具有成本相對較低或者快速測量的優勢，但普及度不如前面提到的兩款設備。

據不*統計，目前國內高等院校、科研院所和企業研發部門也大都采用前述兩款設備對所研制的激光器進行光束質量測量，這在一定程度上也顯示了我國在儀器設備制造方面的“短板”。

注意事項

Ross研究員曾指出：確定光束質量好像是一件比較容易的事情：先購買一個光束質量測量儀，再安裝、調試、對準，儀器就會告訴你激光光束質量如何。但實際上并非如此，在使用光束質量因子時，還存在很多需要注意的地方。如：

激光光束與光束質量因子的對應關系。人們一般會認為，具有不同光場分布特征的激光，它們的光束質量值是不一樣的，然而事實并非如此。下圖是A.E Sigeman教授在文獻中舉出的算例，左右兩幅子圖描述了兩個不同的激光強度分布，不失一般性，對強度分布進行了積分歸一化處理，即強度積分值一致。從圖中可以看出，右圖所示激光光束的方向性更好（峰值強度更高），但是計算得出兩者M2因子的值卻是相同的。

光束質量因子的數值與激光模式的對應關系。以M2因子為例，基模高斯光束的M2因子等于1；實際光束中由于高階模的存在，會使得M2的值偏離1，偏離越遠表明激光光束質量越差。同理，M2因子越接近1（比如M2<1.1），似乎可以表明激光光束中基本都是基模。然而美國政府通信實驗室的研究人員Wielandy的計算結果表明：存在一種情形，在激光光束中的高階模成分達到30%時，M2因子值等于1.08，這容易引起對實際效果的誤判。

不同光束質量因子的一致性。光束質量有很多種定義方法，某些定義方法之間存在換算關系，如理想高斯光束的M2因子和β因子就可以換算，基模高斯光束的M2因子和β因子都等于1。但是，對于非高斯光束而言，往往會換算出比較難以理解的結果，而這些結果又是真實可信的。例如，加拿大Laval大學的科研人員通過嚴密的計算結果表明，單模光纖輸出的基模光束（LP01模）的M2因子會隨光纖的V值的變化而變化。具體而言，單模光纖輸出光束的M2因子取值會在1.5到接近1.0之間（具體取決于V值），盡管都是基模光束，但是理論上就不存在M2因子等于1的情形。

此外，在部分科研級的激光系統研制過程中，相關課題組有時還會采取自行定義的光束質量因子（而非文獻公開報道的、通用的光束質量因子），由此得出的光束質量測量結果會引起對實際效能的誤判。

總之，光束質量測量看似是一個簡單的過程，但是對于測量結果的認知和運用，卻是一項科學性和挑戰性兼備的工作。或許正因如此，Ross研究員在專著Laser beam quality metrics中，專門撰寫了題為“What your beam analyzer manual didn’t tell you”的章節。

結論與展望

激光光束質量的定義和測量是伴隨激光器的產生、發展而發展的，目前光束質量的定義與測量還沒有*形成共識，處于“邊研究、邊使用”的狀態。盡管如此，隨著激光科學的突破和技術的進步，光束質量的定義和測量還面臨著很多新的問題和挑戰。

具體而言，近年來廣泛出現的陣列光束、矢量光束等特殊空間分布的激光以及超快激光、超連續譜等特殊時頻分布的激光等，如何定義和測量這些具有特殊時空分布的激光（激光系統）光束質量，已經成為相關領域亟待解決的問題。

此外，目前通用設備的測量時間相對較長（典型值是數十秒到百秒），如何實現實用化的激光光束的時間分辨測量以及實時在線測量，也是一項具有挑戰性的工作。