设计并搭建了一套基于CCD测量激光光束质量M2的系统。采用CCD测量激光光束在不同位置处的光束直径, 通过非线性最小二乘法拟合测量数据获得光束腰斑直径和远场发散角, 再通过公式计算得到激光光束质量M2。利用本系统测量多组数据, 并与专业M2仪所测的数据进行对比, 二者一致性较好, 表明采用本实验装置测量激光光束质量M2可以有效地替代M2仪。

现有激光光束质量的测量方法无法同时兼顾测量速度与测量精度。为了达到兼顾速度与精度的目的, 提出了双狭缝扫描法。此方法不需要在光路中使用衰减器, 从而降低了数据分析复杂度。选用嵌入式技术完成对整个系统的控制与数据处理, 便于携带, 可实现对数据的实时处理;同时进行了理论分析和实验验证。结果表明, 该方法可实现快速同步测量两轴的功率分布, 动态范围可达到70dB, 扫描频率为2Hz~18Hz, 可用于分析连续或脉冲激光光束。该方法对兼顾测量速度与精度是有帮助的。

分析了基于CCD相机激光光束宽度测量过程中引入的噪声特性，并给出了有效抑制噪声的方法，说明了在光束宽度计算过程中尤其采用4σ算法时，积分区域选取的意义及正确的选取方法，总结了影响基于CCD相机激光光束宽度精确测量的因素。通过实验，进一步验证了用4σ算法计算激光光束宽度时，特别是计算小光斑光束宽度时，积分区域限制的重要性；提出了积分区域最佳选取值为2倍的光束宽度；得出了如无噪声影响，CCD空间分辨率对基于4σ算法的光束宽度结果影响很小的结论，即采用4σ算法虽然光束宽度内仅有十几个甚至几个像素，仍可得到准确的光束宽度值；定量给出了高频随机噪声对基于4σ算法的光束宽度测量重复性的影响，以及提高测量结果精确度的方法；分析了基底噪声对基于4σ算法的光束宽度测量结果的影响程度，提出了正确的背景图像扣除方法以减少基底噪声的影响。

在激光光束质量测量时，为了避免每次测量不同波长激光都要对聚焦透镜的焦平面位置进行标定，降低测量误差，研究和设计了覆盖紫外至近红外波段的超消色差物镜。基于波像差的理论，推导了超消色差物镜初始结构求解的方程组。应用光学设计软件Zemax设计了工作波段为350~1100 nm的宽光谱超消色差物镜，焦距为200 mm，入瞳直径为25 mm。给出了光学系统图、纵向像差曲线、焦移曲线及调制传递函数(MTF)曲线。设计结果表明，采用该方法设计的物镜，在0.707孔径处不同波长光线的球差曲线基本相交于一点，实现了超消色差；工作波段内的焦移仅为26.3 [μm]，基本固定了焦平面的位置；在截止频率范围内的MTF均接近衍射极限，满足了紫外至近红外波段激光光束质量的测量要求。

夏克哈特曼波前传感器因其可以同时测量激光的强度及相位信息，已广泛用于激光光束质量检测中。根据实际检测的要求，设计夏克哈特曼传感器系统的参数是构建检测系统的重要一环。综合考虑了夏克哈特曼传感器的动态范围、灵敏度和精度等要求及其相互制约问题，进行了夏克哈特曼传感器的参数设计。 说明了具体的指标设计过程，并根据设计指标，研制了激光光束检测系统。系统实际达到的单孔径的动态范围为3.7λ(λ=632.8 nm)，灵敏度为0.01λ，菲涅耳数为2.468，符合激光光束检测系统的要求。

传统光束质量测量装置不能有效测量脉冲激光的M²因子。为实时检测脉冲激光M²因子,将正交散焦光栅和短焦透镜密接配合使用,同时测量待测光束9个不同位置处的光强分布,用二阶矩方法计算束宽,并经双曲线拟合得到被测光束的M²因子。根据高斯光束的薄透镜变换理论,分析了被测光束束腰宽度和束腰位置变化对测量精度的影响,得到了正交散焦光栅M²因子测量系统对测量参数要求低、动态工作范围大等结论。实验测量了1064 nm Nd:罽AG固体脉冲激光器单个脉冲的M²因子、脉冲之间的M²因子变化和光束M²因子随电压的整体变化情况。结果表明此系统实现了对脉冲激光M²因子的测量,并能实时检测激光工作过程中的M²因子变化。

对基于正交散焦光栅的M2因子测量系统进行了理论研究, 该测量系统可以同时测量光束束腰附近9个不同位置处的光强分布, 并由二阶矩方法计算束宽, 经双曲线拟合得到被测光束的M2因子。为了优化系统设计和提高系统测量精度, 根据高斯光束的薄透镜变换关系, 针对基模高斯光束和多模高斯光束, 分析被测光束束腰宽度、束腰位置和模式分布对测量系统测量精度的影响。结果表明, 基模高斯光束或者多模高斯光束所对应基模高斯光束的束腰宽度在设计范围内时, 系统可在较大的测量距离内具有较高的测量精度。该研究为实际系统的设计和测量提供了理论指导。

设计出相位型正交散焦光栅,实现了一种新的光束质量M2因子实时测量技术。将散焦光栅和短焦透镜密接使用,透镜提供主要的聚焦能力,散焦光栅产生9个光轴,且在每个光轴上对焦距进行微调,使之具有不同的等效焦距,这样利用单一的CCD就可以在透镜焦平面上同时测量待测光束9个不同位置处的光强分布图样。利用二阶矩的方法计算束宽,经双曲线拟合得到光束的M2因子。对He-Ne激光器的输出光束进行了测量,得到其光束质量因子M2=5.775,与传统测量方法得到的结果相比,误差为5.1%。

提出一种新型光束质量实时测量技术, 该技术主要基于由平板反射镜组成的多平面成像系统, 一次性将激光束腰附近2倍瑞利距离内的多个光斑成像在同一个平面上, 用CCD相机获取这些光斑的光强分布图样。通过图像处理获知接收到的光斑的光强分布。采用远场发散角、焦点尺寸、桶中功率比和M2因子四种光束质量评价标准对激光光束质量进行评价。利用该方法实时测量了高能钕玻璃双板条激光器的输出光束。