一、什么是M²因子？为何它如此重要？
光束质量因子 M2（也称为光束传播比，Beam Propagation Ratio）是衡量激光光束质量的关键，是用于量化激光光束偏离理想高斯光束（衍射极限）程度的无量纲参数。表示实际光束与理想高斯光束（TEM₀₀模式）在发散性和聚焦能力上的差异。

根据ISO 11146-1，M2的测量需基于二阶矩法（second-order moment method）计算光束宽度（dσ）和发散角（Θσ），定义式为：

• 其中，dσ：基于二阶矩的光束直径；

• Θσ：全发散角（单位：弧度）；

• λ：激光波长。

• M2=1：表示光束为理想高斯光束（TEM₀₀模式），达到衍射极限；

• M2>1：表示光束存在像差、多模振荡、非均匀相位或振幅分布等非理想因素；

• M2越小，光束质量越高，聚焦能力越强，远场发散越小。

• M2作为传播不变量，M2在自由空间传播及通过无像差光学系统时保持不变；它是光束参数乘积（Beam Parameter Product，BPP） 的归一化表示：

如何计算？
1、沿轴沿传播轴 z 测量至少10个不同位置的光束宽度 dσ(z)；
2、通过双曲线拟合得到腰斑直径dσ0和远场发散角Θσ；

3、代入M2公式计算。

二、实验设备与原理
本次实验采用WinCamD-LCM系列光束质量分析仪搭配M2DU-LCM系统（含移动台、镜头架和相机架），以及专用透镜系统（根据波长选择UV、VIS、NIR、TEL系列）。

透镜焦距的选择要根据“镜头选择工作表”文件，将激光器的相关参数输入，点击想选择的透镜焦距，下方表格标红就是不可以，接着换焦距，表格变绿就证明该焦距的选择正确。

三、实验步骤详解
1、设备组装与校准
将WinCamD-LCM相机用螺丝固定到底座上，再用两个螺丝将底座固定于M2DU移动台，安装相应焦距的透镜，连接12V电源和USB至电脑，确保驱动正确安装。

2、激光安全与衰减调节
根据预先计算的束腰直径，调整ND衰减片，防止传感器饱和。这是测量成功的前提，也是实验安全的保障。

3、软件设置与光束对准
通过目标十字准心精细调节光束对准，确保光斑在传感器上居中。启动DataRay软件，观察WinCamD-LCM相机右上角指示灯由红变绿。点击“Ready”出现十字架，看到光斑。

4、曝光与捕获设置
根据光束强度调整曝光时间，确保峰值ADC低于90%。观察光束，可以看到光斑情况，当如下图，如果软件判定测量数据无效或存在错误，相关数据的字体将显示为橙色。


经过软件的自动对焦和测量得到稳定数据，可变成黑色。如下图所示，可用相机观察到他的通光量、椭圆度、X方向、Y方向宽度以及他的质心。同时可在图像上进行图像缩放以观察到最好的程度。


 

5、执行扫描与数据采集
在软件界面上方选择M²测量模式。设置波长、透镜焦距、LPPSO（镜头主平面到传感器距离）等参数。


在建议范围内软件会自动驱动M2DU导轨进行60个点的高密度采样，每个点平均5次图像，确保数据稳定性。

 

6、结果计算与分析
软件自动计算M²值、束腰直径（2Wo）、瑞利范围（Zr）、远场发散角（Θ）等参数，并生成双曲线拟合图。保存数据，导出结果。结果文件里有最终的光斑图像和测M2时所有采样点的数据。下图就是导出数据光斑和数据图。


 

实验结束，将所有的器材进行整理，放回箱内。

四、应用价值与总结
M²因子测量在激光加工、光学通信、医疗设备等领域具有重要应用价值。通过本次实验，我们不仅掌握了专业的测量方法，还深入理解了光束质量对激光系统性能的影响。
温馨提示：进行光束质量分析时，务必注意激光安全，合理选择衰减方案，并确保设备校准准确。