光束质量（Beam Quality）是激光光束特性的核心参数之一。人们通常用“高方向性、高亮度、高相干性”等词汇来概括激光光束的特征[1]，与激光的线宽在一定程度上决定了激光的时间相干性、激光的功率与激光的亮度高度正相关类似，激光的光束质量与激光的方向性密切相关。
因此，激光的光束质量对激光通信、远程传能、激光制造等领域的应用效果有重要影响。
与线宽、功率等核心参数不同，光束质量的基本概念以及相关知识尚未完全得到普及。本文拟从研究历程、相关定义与标准、测量设备、注意事项、新问题与新挑战等几个方面简要论述光束质量，以期起到概念普及和抛砖引玉的作用。
研究历程
尽管在激光器发明后不久，人们就开始关注激光光束质量，但是相关研究文献并不多，目前检索到较早的文献之一是20世纪70年代Holobeam公司发布的题为“Spot size dependence on M2”的技术公报[2]；此外，由于CO2激光器是当时的主流激光器类型之一，因此也有不少关于CO2激光光束质量的文献报道[3]。
20世纪80年代起，以著名激光专家、斯坦福大学A.E Sigeman教授撰写的Laser专著出版为标志[4]，科研人员对光腔技术物理有了深入、系统的认知，对激光光束质量的研究开始兴起[5-7]。人们先后举办了多次专项国际研讨会，并促成了相关国际标准的制定[8]。
国内对光束质量的关注和研究相对较晚，在中国知网中用“标题”项检索“光束质量”，最早的一篇文献是1978年发表于《激光与光电子学进展》的“用非线性光混频技术补偿光束质量的劣化”一文。
20世纪70、80年代，国内相关研究较少，公开发表的论文不到10篇（中国知网检索）。20世纪90年代起，伴随国际上研究热潮的兴起以及信息技术的普及应用，国内科研人员对“光束质量”开始了全面深入的研究[9-12]，目前基本实现了与国际同步。
相关定义与标准
与激光的“功率”、“线宽”等定义与测量方法参数不同，“光束质量”的定义相对抽象，并且有一定的难度。
如激光技术专家、美国空军研究实验室研究员Ross所言，激光光束质量的定义是将一个7维空间（3个振幅维度、3个相位维度和1个时间维度，激光的光场信息通常需要用上述7维空间信息方可描述）的信息降维成1个参数[2]，这将不可避免地带来信息损失，这也表明描述激光光束质量比“功率”、“线宽”等参数要复杂困难的多。
目前，国内外科研人员赋予激光光束质量的定义不下20种，并且“学术界对这些评价标准的合理性和适用性还不统一”[13]。国际上广泛使用M2因子来描述光束质量[14]，并形成了相关ISO标准[11,15]。
M2因子的计算方法是实际光束的束宽与发散角的乘积除以理想光束的束宽与发散角的乘积，其中理想光束取基模高斯光束，束宽取二阶矩定义。可以证明，激光光束通过无像差光学系统时，它的M2因子是一个传输不变量，且M2≥1[16]；M2偏离1越远，激光光束质量越差。
此外，光束参数乘积（Beam Parameters Product，BPP，束腰宽度和远场发散角的乘积）也经常被用于描述激光的光束质量，特别是固体激光和半导体激光。对基模高斯光束，BPP=λ/π（λ为激光的波长）；实际激光光束的BPP会大于λ/π，BPP值越大，光束质量越差。
在国内，除了M2因子和BPP外，人们还常用β因子来描述光束质量[17,18]。β因子的定义为实际激光光束的发散角与理想光束（一般取为等同口径的平面波）的发散角的除值，β的值一般大于1，越接近1表明光束质量越好。从公开发表的文献看，β因子的使用集中在高能激光领域。
目前，关于激光光束质量，我国有两个正在施行的标准，分别是制造用激光器光束质量的评价和测试方法（GB/T 27666-2011）和高能激光光束质量评价与测试方法（GB/T 32831-2016），其中后者就包括了β因子的相关规范文档。
测量设备
由于光束质量决定了激光的方向性，因此相关测量设备在激光通信、远程传能、激光制造等领域有重要需求。早在1997年的一份文献中[19]，A.E Sigeman教授就列出了当时常见的9家设备供应商（如Coherent、Spiricon等）。
当前，常用的激光光束质量测量设备是德国Primes公司的LQM和美国Spiricon公司的M2-200，这些设备都按照ISO标准设置测量程序，输出激光的M2因子测量值，具有规范性、通用性和国际可比性。
但是，上述设备也存在价格昂贵、测量时长较长等“不足”，为此，科研人员还研发出了其他类型的光束质量测量装置，如基于散焦光栅、空间光调制器、液体透镜或采用数字全息技术、深度学习技术[20-23]等，也可以对激光的M2因子进行测量，具有成本相对较低或者快速测量的优势，但普及度不如前面提到的两款设备。
据不完全统计，目前国内高等院校、科研院所和企业研发部门也大都采用前述两款设备对所研制的激光器进行光束质量测量，这在一定程度上也显示了我国在高端仪器设备制造方面的“短板”。
注意事项
Ross研究员曾指出：确定光束质量好像是一件比较容易的事情[2]：先购买一个光束质量测量仪，再安装、调试、对准，仪器就会告诉你激光光束质量如何。但实际上并非如此，在使用光束质量因子时，还存在很多需要注意的地方。如：
激光光束与光束质量因子的对应关系。人们一般会认为，具有不同光场分布特征的激光，它们的光束质量值是不一样的，然而事实并非如此。下图是A.E Sigeman教授在文献[19]中举出的算例，左右两幅子图描述了两个不同的激光强度分布，不失一般性，对强度分布进行了积分归一化处理，即强度积分值一致。从图中可以看出，右图所示激光光束的方向性更好（峰值强度更高），但是计算得出两者M2因子的值却是相同的。
光束质量因子的数值与激光模式的对应关系。以M2因子为例，基模高斯光束的M2因子等于1；实际光束中由于高阶模的存在，会使得M2的值偏离1，偏离越远表明激光光束质量越差。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。然而美国政府通信实验室的研究人员Wielandy的计算结果[24]表明：存在一种情形，在激光光束中的高阶模成分达到30%时，M2因子值等于1.08，这容易引起对实际效果的误判。
不同光束质量因子的一致性。光束质量有很多种定义方法，某些定义方法之间存在换算关系[2,13,25]，如理想高斯光束的M2因子和β因子就可以换算[25]，基模高斯光束的M2因子和β因子都等于1。但是，对于非高斯光束而言，往往会换算出比较难以理解的结果，而这些结果又是真实可信的。例如，加拿大Laval大学的科研人员通过严密的计算结果表明[26]，单模光纤输出的基模光束（LP01模）的M2因子会随光纤的V值的变化而变化。具体而言，单模光纤输出光束的M2因子取值会在1.5到接近1.0之间（具体取决于V值），尽管都是基模光束，但是理论上就不存在M2因子等于1的情形。
此外，在部分科研级的激光系统研制过程中，相关课题组有时还会采取自行定义的光束质量因子（而非文献公开报道的、通用的光束质量因子），由此得出的光束质量测量结果会引起对实际效能的误判[27]。
总之，光束质量测量看似是一个简单的过程，但是对于测量结果的认知和运用，却是一项科学性和挑战性兼备的工作。或许正因如此，Ross研究员在专著Laser beam quality metrics中，专门撰写了题为“What your beam analyzer manual didn’t tell you”的章节。
结论与展望
激光光束质量的定义和测量是伴随激光器的产生、发展而发展的，目前光束质量的定义与测量还没有完全形成共识，处于“边研究、边使用”的状态。尽管如此，随着激光科学的突破和技术的进步，光束质量的定义和测量还面临着很多新的问题和挑战。
具体而言，近年来广泛出现的阵列光束、矢量光束等特殊空间分布的激光以及超快激光、超连续谱等特殊时频分布的激光等，如何定义和测量这些具有特殊时空分布的激光（激光系统）光束质量，已经成为相关领域亟待解决的问题[28]。
此外，目前通用设备的测量时间相对较长（典型值是数十秒到百秒），如何实现实用化的激光光束的时间分辨测量以及实时在线测量，也是一项具有挑战性的工作。
参考文献
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作者简介
周朴，国防科技大学前沿交叉学科学院研究员，博士生导师，全国优秀博士学位论文作者、“王大珩光学奖中青年科技人员光学奖”获得者，Fiber Laser（Photonics West）、ASSL、CLEO-PR、AFL、AOPC等国际会议程序委员会成员。
陈金宝，国防科技大学前沿交叉学科学院研究员，博士生导师，光学工程学会常务理事，激光专委会委员，教育部创新团队、科技部重点领域创新团队学术带头人，从事高能激光技术研究，获国家科技进步一等奖1项，二等奖1项，国家技术发明二等奖1项，部委级科技进步一等奖5项。