激光器主要用在传感和加工两个方面。其中传感是通过与被测对象相互作用，造成激光光强、脉宽、波长、相位等物理量的调制，使得激光携带被测对象的物理信息，再经过后续解调，获取被测信息。激光光束质量的好坏直接决定了信息与能量传递的成功与否，良好的光束质量是实现高亮度激光、保证设备工作效能的关键，也是反映仪器效率和效益的关键因素。

激光光束M2因子是描述激光传播过程中激光光束准直的一个参量，它的大小与激光光束本身的特性有关，并不全被它的衍射特性决定。激光光束M2因子是高斯光束归一化的不变量，其大小由近场光学的复振幅空间的分布函数决定，并不会随着激光的传播和变化而改变，可用作为设计发射和接收等激光光学系统的理论依据。对于一些比较常用的激光，它们大部分都是多模或单模的高斯光束，所以采用它当一个衡量标准具有一定的实用价值。在函数中，采用了带宽积最小的高斯函数作为标准，使用激光光束M2因子来作为判断激光光束的质量好坏是比较方便的。当激光光束M2因子确定时，当值或值发生改变时，并不会明显的改变激光的准直特性。因此用激光光束M2因子来判断激光质量好坏是比较合适的。

M2因子定义为：

其中，w是被测激光的束宽，q则是被测激光的远场发散角，w0表示理想激光的束宽，q0为理想激光的远场发散角。M2因子的倒数则称为K因子。M2≥1，M2越接近于1，则光束质量越好。

图1所示为一般的激光光束传播方向电场分布，其光束直径及波前等相位面沿光束传播方向渐变，激光光束直径最小点为束腰位置，激光光束直径及波前等相位面以束腰为中心左右对称。激光光束的波前等相位面的曲率半径存在一个最小值，此处距束腰的距离就是为瑞利长度，从束腰位置到无穷远处，波前等相位面的曲率半径从无穷大（平面）逐渐减小，到瑞利长度处达到最小值，后又逐渐增大到无穷大，无穷远处可将激光等同于平面波。通常将正负瑞利长度范围之内的空间定义为激光束的近场，正负瑞利长度范围以外的空间定义为远场。

图1高斯激光光束电场分布示意图

根据波前传播理论，激光光束的发散是由于在传输过程中激光光束直径的增加引起的。光束发散的程度由角度值q来表示。激光光束最小宽度处的尺寸称之为束腰（半宽）。测量光传播方向（也就是Z轴）上不同点的光束直径，就能确定光束的发散角和束腰特性。M2因子测试仪正是沿着Z轴对光束尺寸进行取样，以确定光束的空间特性。通过3个不同距离位置的束腰宽度就能计算得到激光光束M2因子，采用更多的距离位置的值是为了相互核验来减小测试的误差。沿激光的传播方向Z轴测量激光在相异Z轴地方的束腰半宽度w，采用双曲线拟合来得到激光的传输轮廓，最后计算出激光光束M2因子以及相关的参数。依据ISO标准，要达到所需的测量精度，最少测量10个不同位置的束腰宽度，而且至少需要有5个位置点处在其瑞利长度范围内。

依据测试原理不同，激光光束M2因子测试仪可分为两类：一类是采用刀口、狭缝和针孔等机械扫描法的方法，激光光束经扫描器件切割或遮挡后，余下的光直接入射到光电探测器上，记录下相关光束信息，该方法需要二维扫描，测试分辨率低，速度慢，测量结果误差较大，而且该方法仅可用于测量连续波激光的传输特性；另一类是采用CCD面阵器件作为图像传感器直接探测，将光束经衰减和变换后入射照射到CCD的感光面上实现测量，既可用于连续和也可用于脉冲激光测试，测试速度快，精度高。依据对光束截面取样方法的不同，又可将激光光束M2因子测试仪产品分为三类：第一类是利用透镜汇聚光束，透镜固定不动，移动探头取样；第二类同样是利用透镜等光学系统汇聚光束，固定探头位置，通过移动透镜实现取样；第三类采用的是分束的方法，固定聚焦透镜和探头，将入射光束分成多路，分别照射到不同的探头上，同一时间完成取样。三类取样方法各有其优缺点，一般来说，固定探头动透镜方案需要用到多片透镜，在光路中引入的透镜越多，测试中的对光过程越复杂，带来的测量误差就越大。同时透镜移动会放大光束离轴引入的取样位置光束误差，影响测试精度。固定透镜和探头，对采样光束分束的方案虽然可节省测量时间，但这需要复杂的光学系统，无论采用哪种分束方式，都不可避免的引入较大误差，降低测量精确度。按照目前的技术状态，利用固定透镜、移动探头的方案得到的测量结果最接近于真实值，在保证透镜像差的前提下，各取样点的测量结果可反映光束的不同位置的光斑特性，因而测量结果也最为可信。

在测量激光光束M2因子时，由于激光光束的发散角通常较小，造成了远场范围取点的困难，即为获取尺寸差异较大的光斑来保证测量的准确度，需在几米甚至十几米以外取测量点，将仪器做成如此大是不现实的，因此需要通过光学变换人为增大光束发散角，在近距离（几百毫米）内形成一个人造束腰，人造束腰两侧光斑尺寸被人为地增大，满足了取样测量的要求，在取样测量的基础上，利用双曲线拟合的方法求出透镜聚焦后的激光光束的M2因子。根据上文给出的激光光束M2因子的定义，由于是一个常数（2λ/π），因此激光光束的M2因子与成正比，而不因透镜聚焦等光学变换而改变，因此所测得的M2值即为被测装备出射的激光光束M2因子值，具体的采样测量结构如图2所示。

图2光束采样测量结构图

在实际测量中，用ZR表示瑞利长度，当|Z|=ZR时，w(ZR)=√2w0。取Z=±ZR，即束腰两侧的二倍瑞利长度当做高斯光束的准直区域。在此范围内高斯光束可认为是近乎平行的。测量时通常采集多个Z轴位置处的束宽来计算出M2因子等光束参数。为了提高测量精度，在光传播方向上采集大于10个位置处的束宽，其中必须至少要有5个距束腰的长度位于其一倍瑞利距离范围内的位置点。采样位置如图3所示：

图3光束采样位置示意图

采样点所在区间即采样测量范围就是像距调整范围，测量步骤如下：

第一步：测试若干对(z,w(z))的值进行曲线拟合，通过拟合的结果可以可得到实际激光光束聚焦后的参数wf、fz、qf（w(z)是z处的束宽）；

第二步：根据曲线拟合的值进行计算M2；

第三步：依据高斯光束在传播的时候束宽乘以远场发散角的积不会发生变化，从而反推实际激光光束聚焦前的参数w0、z0、q0。

图 4M2-200S示意图

图4为M2-200S光束分析仪结构示意图，使用M2-200S对He-Ne激光器发出的激光光束进行测试，测试结果如图5所示：

图5M2-200S测试仪测试结果

来自《激光光束M2因子测试仪的设计与实现》

<What is M Squared? See What Determines the Size of Your Beam Waist> https://www.ophiropt.com