plate glass lens street light . Outdoor Lighting . Roadway Lamp . Street Light .Floodlight
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定义：描述两透明各向同性介质截面处透射系数和反射系数幅值的方程。
菲涅尔方程是描述两透明各向同性介质截面处透射系数和反射系数幅值的方程：
图1：两介质截面处的折射过程
其中n1 和n2 是两介质的折射率。对应的传播角度（与法线的夹角）为 θ1 和 θ2（见图1）。例如，s偏振（电场矢量与入射平面垂直）透射系数大小为ts。
功率反射系数是对应反射系数大小的平方。而透射功率系数，考虑到不同的传播角度，需要在前面加一个系数(n2 cos θ2) / (n1 cos θ1)。
图2：s和p偏振的功率反射率，采用的折射率为1.45.
图2给出了界面处功率反射率与入射角度和偏振态的关系。P偏振在入射角为布儒斯特角时（这里约为55.4°）反射系数变为0.
定义：衡量光学系统聚焦或者使光散焦程度的量。
很多类型的光学系统（例如，显微镜吴静和弯曲的激光器反射镜）都可以聚焦或者使光散焦，焦距就是量化这些效应的量。最简单的情形为薄透镜（图1a）。如果入射到透镜的光是一束准直光束，经过透镜后光束会发生聚焦，这时焦距就是从透镜到焦点的距离（假设棱镜是处于真空或者空气中，而不是处于折射率很高的物质中）。而对于散焦透镜（图1b），焦距则是从透镜到虚焦点（采用虚线表示）的距离，是负值。
图1：聚焦和散焦透镜的焦距。散焦透镜的焦距为负值。
目录
透镜的焦距
可以采用下列方程计算透镜的屈光度和焦距，透镜材料的折射率为n，两表面的曲率半径分别为R1和R2：
凸面的曲率半径为正数，而凹面的曲率半径则是负值。聚焦透镜得到的结果为正值，结果为负值则对应的为散焦透镜。后面的一项只有当棱镜很厚，两面曲率半径都很大时才需要考虑。
这一方程适宜于傍轴光线情形，即光线离对称轴不远的情况。
曲面镜的焦距
经常采用曲面镜聚焦或者散焦光束。例如，在激光器谐振腔，具有电介质涂层的激光反射镜比普通的透镜更适用，主要是因为反射镜损耗更小。
当光轴垂直于反射镜表面时，表面曲面半径为R的反射镜的焦距f = R / 2。（正号代表凸面和聚焦反射镜。）如果光轴与表面法线方向夹角 θ 不为0，那么切向（入射平面）的焦距为 ftan = (R / 2) • cos θ，矢状方向的焦距为 fsag = (R / 2) / cos θ 。
激光反射镜的曲面半径通常在10 mm到5 m之间。如果曲面半径非常小，制备介质涂层会非常困难，但是采用精细的工艺也可以得到仅为几毫米焦距的反射镜，这在一些微型激光器中会用到。
光学系统的焦距
一个光学系统可能包含多个透镜和其它光学元件，因此不能采用上面定义的焦距，因为不能明确应计算何处到焦点的距离：是从光学系统的起点、终点、中点还是其它位置？原则上可以采用任意的参考点，但是这时有些原理不能使用，这些原理在具有特定焦距的透镜焦点处光束束腰半径是适用的，或者望远镜的放大倍数等。有人采用前焦距来表示焦点与光学元件的前表面之间的距离。
照相物镜的有效焦距
在照相术中，有效焦距具有非常不同的意义，下面我们详细解释一下。
照相机的视角由胶片上像的尺寸与焦距的比值决定。胶片相机一直采用35 mm胶片（根据ISO标准1007也称为135胶片），胶片上像的尺寸为标准的36 mm × 24 mm。（胶卷轴的宽度为35mm，比24 mm大是为了使图像不会扩展到卷轴的边缘。）这时物镜的焦距为标准的50 mm。然而现在的数码相机（尤其是尺寸小的）通常包含尺寸小于36 mm × 24 mm的像传感器，因此为了得到相同的视场，对应的物镜焦距也比较小（例如32 mm）。许多摄影师仍然习惯采用常用的焦距与视角的比值，因此常用有效焦距来表征数码相机的焦距，此时的焦距数码相机的视场与与普通35 mm胶片的视场相同。例如，实际焦距为32 mm也可以说成标准物镜的有效焦距为50 mm。
随着越来越少的人采用35 mm胶片，这一转换过程以后可能不会采用。
焦距可调的光学系统
在有些系统中，尤其是聚焦成像系统，需要光学系统的焦距是可调的。可以采用下面的原理：
与波长有关的焦距
普通透镜是利用光的折射，由于折射率与波长有关（色散），因此焦距也与波长相关。这一效应会使成像系统产生色差，在工作于宽波长区域的光学系统中也存在类似的问题。可以设计采用多个透镜（例如，照相机的物镜）来使色差最小化。最常用的做法是采用消色差双合透镜，即由两种材料组成的透镜，这样总体色差很大部分的被抵消了。
也可以只采用包含反射镜的光学系统来消除色差。曲面半径为R的曲面镜的焦距为 f = R / 2 ，只由几何形状决定，而与波长无关。但是，在非正交入射的情况下，切平面的焦距与入射角余弦成正比，矢状面与入射角余弦的倒数成正比。因此这种系统会产生像散。
屈光本领
透镜的屈光本领等于焦距的倒数。表明强聚焦的透镜焦距小，但是屈光本领大。屈光本领的单位为m−1，也称为屈光度（dpt）。对于验光眼镜，常用屈光本领来表征，这时焦距指的是标准透镜，显微镜物镜和照相物镜的焦距。
很多情况下，屈光本领是比焦距更常用的量。例如，激光晶体中热透镜的屈光本领正比于耗散功率。采用热透镜屈光本领表示的激光器谐振腔稳定区域的宽度与激光晶体的最小模式半径和光波长都有关系，而用焦距表征的稳定区域与参数之间的关系更加复杂。
发散光束的聚焦
图2：透镜方程的图解。
发散光束入射到聚焦透镜上时，焦点距离透镜的距离比f大（图2）。透镜方程可写为：
其中a是入射光束的焦点与透镜之间的距离。当a >> f时，有b ≈ f，而其它情况下，则有b > f 。这一关系可以这样直观的理解：使入射光束准直（即消除光束发散）需要聚焦能力为1 / a，这样只需聚焦能力为 1 / f − 1 / a可将光束聚焦。
如果a ≤ f，以上方程不成立，透镜则不能使光束聚焦。
在射线情况下，傍轴近似满足时透镜方程成立。
束腰半径
光束半径为 w0的准直高斯光束入射到焦距为f的透镜上，经过透镜后束腰处的半径满足方程：
这时假设焦点处光束半径远小于初始光束半径w0。（当光束入射半径很小时该条件不满足，这时焦点比根据上面方程得到的值要大。）同时，还需要假设光束半径远大于波长 λ，这样傍轴近似是满足的。
根据上面方程发现决定最小光束半径的并不只是焦距f，还有f与透镜孔径半径的比值，这一比值限制了最大光束半径w0。该比值称为透镜的数值孔径。
这一原理能否用于焦距为f扩展的光学系统取决于采用的焦距的定义。有时需要定义有效焦距来满足这一关系。
定义：单位面积上的光能量。
在基础物理中通量被定义为一些辐射或粒子流的时间积分量。在光学中，光脉冲的光通量F被定义为单位面积上输送的光能。其最常见的单位是J / cm2。
与光强一样，光通量也是一个与位置相关的数值。对于激光而言，光通量通常在光轴处最大，在远离光轴的地方则会降低。
在某些情况下，对光通量的最大值更为感兴趣。对于高斯光束，峰值的光通量为总光能量除以π w2 / 2，其中w是高斯光束的光束半径。
如果知道与时间相关的光强，则可以通过对脉冲的时域积分得到光通量。
光通量的用途
当一个强的超短脉冲使得激光晶体或者有源光纤发生增益饱和时，其脉冲脉宽通常远小于上能级寿命。饱和的程度只取决于脉冲光通量，而不是光强的时间分布。增益介质的一个重要特性就是它的饱和通量。
对于慢的可饱和吸收体，也会发生与增益介质类似的情况。
在激光脉冲导致激光损伤的情况下，损伤阈值也常被成为光通量。然而损伤阈值并不是一个与脉冲脉宽无关的量，通常情况下，临界的光通量随着脉冲脉宽的上升而上升。
定义：光束具有平的强度截面。
平顶光束是指激光光束（通常为经过转换的激光光束）强度截面很大区域内是平的。这与高斯光束不同，高斯光束的强度是从最大值沿着光束轴向外平缓的减小为0. 在有些激光器应用中需要采用这种类型的光束。例如，在处理半导体晶圆或者其它材料时在某些区域需要强度为常数。另外，在高功率时的非线性频率转换过程中，如果采用平顶光束效率会更高。通常，平顶光束边沿比较平滑，因此可近似看做超高斯型，而不是矩形。
图1：平顶光束（红色）与高斯光束（绿色）和超高斯强度分布（蓝色）的对比。三束光的功率相同，有效模式面积相等。
平顶光束的传播
与高斯光束不同的是，平顶光束不是自由空间的模式。也就是说光束在自由空间中传播时，强度形状会发生变化。强度曲线的边缘越陡，变化越大。图2是模拟的初始为超高斯光束形状的光束的传播情况。
图2：初始为超高斯形状的光束在自由空间中传播的演化情况。光束首先被压缩，后来又展开，边缘非常平滑。以上情况下的颜色选取是基于光束轴向饱和时颜色是相同的这一前提。实际上，随着光束的扩展，强度变小。
实际应用时光束形状的变化可以忽略不计。对于具有更大直径以及边缘变化不剧烈的光束，其大小和形状近似为不变。
产生平顶光束
通常需要先从激光器中得到一束高斯光束，然后采用一些合适的光学元件改变其强度形状得到平顶光束。有许多种光束整形器可以改变光束形状。例如，可以采用多个非球面透镜，或者一些衍射光学器件。采用非球面透镜，得到的光束形状非常平坦并且功率效率很高，以及很高的损伤阈值，这在调Q激光器中非常重要。
定义：通常定性的描述，与激光器的输出功率和光束质量有关；定量化描述需要与照度结合一起。
亮度通常用于激光器和激光光束中，通常是纯描述性的，非定量的应用。而定量的定义不止一个，这就会造成混乱。有时，亮度被看做照度值，而又有些地方被看做辐射量（如下）。重要的差别在于辐照量用于光功率及其相关量，而照度值则是用来估计光辐射的强度。
尽管美国联邦标准1037C建议将亮度概念在生理感觉方面仅仅作为非定量的参考，但是现在普遍采用它用于其它方面。在激光器技术中，激光光源的亮度（定量情况）通常认为等于其辐射量，是总功率除以焦点模式面积和远场角度的乘积，单位通常为W sr−1 cm−2。本词条下面都采用这一定义。
具有适中发散角的衍射极限光束（傍轴近似适用），由光束发散角和光束半径之间的关系可得：
上式表明，除了与功率和光束质量相关外，亮度还依赖于波长。
而非衍射极限的光束亮度变小，减小的因子为光束质量因子 M2在x和y方向分量的乘积。
还有一个定义为光功率除以 M2因子，没有考虑波长。对于衍射极限光束，这一值等于光功率，通常来讲，用其描述在特定孔径和工作距离（有限光束发散角）时焦点处最大光强是非常恰当的。
亮度是描述激光光束整体的性质，而不是描述某一空间变化的量，例如强度。
还存在另一个不同的量为光谱亮度。而有些作者有时只提及亮度是非常容易混淆的。另外还有相对亮度，这只是一个定性的量，与照度有关。
提高亮度
激光器（光学泵浦）的一个重要特性是产生的激光光束的亮度比泵浦光源的亮度大很多，而输出功率低于泵浦功率，光束质量则比泵浦光源高很多。这种激光器也被称为亮度转换器，尤其是当这一功能在应用中是主要的特点。
采用低亮度泵浦光源
在光学泵浦激光器的发展过程中，需要采用低亮度的泵浦光源，因为这一光源在给定输出功率情况下通常比较便宜。例如，大面积激光二极管（也叫做高亮度激光二极管）在单位瓦特的输出功率时的成本比二极管线阵高。然而，低亮度泵浦在激光器设计中也会产生许多不利的效应。并且在不同的条件下产生的效应也不同，在这种情况下，可达到的输出功率、功率效率、脉冲长度或者脉冲重复速率都会比较低。
这一限制可以与能量转换过程中的熵问题对比理解：熵增加过程可能不会直接造成能量损耗，但是会间接的损耗可用能量。由于光束质量下降而导致亮度减小表示很少模式的光辐射拓展到多个模式中，这确实会提高熵。但是，性能变差并不总是与熵问题直接相关，还部分与增益介质能实现的物理参数以及几何问题相关。
定义：包含周期性折射率调制的反射结构。
光学布拉格光栅是具有周期性变化折射率的透明装置，在某一特定波长附近的波长区域（带宽）的反射率很大，该波长满足布拉格条件：
其中λ 是真空波长，n是折射率，θ 是在介质中相对于正入射的传播角度， Λ 是光栅周期。如果满足以上条件，光栅的波数与入射和反射波的波数差是匹配的。
其它波长的光则几乎不受布拉格光栅的影响，不过还是会在反射光谱中产生一些旁瓣。类似的，其它入射角度的光束也几乎不存在反射。
布拉格波长附近的光束，当光栅足够长时，即使很弱的折射率调制都能实现几乎全反射。由于反射率和折射率与波长有关，布拉格光栅可用做光纤滤波器。
图1：布拉格光栅中包含玻璃块用来反射满足布拉格条件的入射光束（左侧）。而其它入射角度的光束则几乎不存在反射。
光纤布拉格光栅示例
定义：双折射现象或者介质折射率与偏振有关。
文献中，双折射通常包含两种不同的含义。经典光学中，就是下面所说的双折射（double refraction）。而在非线性光学和激光器技术中，双折射则是一些非各向同性透明介质的折射率依赖于偏振方向（即电场方向）的性质。后者的性质时非偏振光束入射到该材料上时产生双折射。
折射率依赖于偏振态的结果
折射率依赖于偏振态会产生下面的一些效应：
双折射举例
在激光器技术和非线性光学中，双折射现象通常发生在非各向同性晶体中：
即使是各向同性介质，也会由于存在不均匀的机械应力而产生双折射。这可以在两个交叉偏振器间放置一块有机玻璃观察：当施加应力到有机玻璃上，可以看到由于应力诱导的与波长相关的双折射效应而产生的彩色图像。弯曲光纤中也存在类似的效应，由于激光器晶体中的热效应，会产生去极化损耗。
直光纤只有很小的随机双折射，即使这样其中的光传输一段距离后偏振状态也会发生变化。存在保偏光纤，是利用了很强的双折射来抑制这些效应。
定量描述双折射
可以采用下列方法定量描述双折射的大小：
定义：缩写：BPP 焦点处光束半径和远场发散角的乘积。
激光光束的光束参量乘积（BPP）是光束半径（束腰处）与半发散角（远场）的乘积。常用单位为 mm mrad（毫米乘以毫弧度）。BPP通常用来表征激光光束的光束质量：光束参量乘积越大，光束质量越差。
若定义非高斯光束的BPP需要重新定义光束半径和发散角。衍射极限高斯光束能达到的最小光束参量乘积为λ / π。例如，1064 nm光束的最小光束参量乘积约为0.339 mm mrad。
图1：不同类型激光器的光束参数乘积与M2值。由于激光器波长更长，其光束参量乘积比衍射极限的固态激光器大，但是比灯泵浦系统小。
非圆形截面光束在垂直方向与水平方向的BPP值是不同的。
光束在无象差光学系统中传输时，例如薄透镜，BPP值不变。如果该透镜使光束会聚，半径小于束腰半径，那么光束发散角相应的会增大。为了测量BPP，需要将光束会聚成某一合适尺寸，该尺寸取决于采用的仪器装置（例如，光束分析仪）和空间大小（需要几个瑞利长度）。
非理想的光学装置会损坏光束质量，使BPP值增大。有些特殊情况下，光学元件的很小象差（例如球形棱镜）还会减小光束的BPP值，这时光束畸变会被该元件补偿。
一个常用的相关的量为直径发散角乘积。
定义：衡量光束从其中心向外发散的程度。
激光光束的光束发散角是用来衡量光束从束腰向外发散的速度。在激光笔或者自由空间光通信的应用中需要非常低的光束发散角。具有非常小发散角的光束，例如光束半径在很长的传输距离内接近常数，被称为准直光束。
图1：高斯光束的半发散角是根据光束半径（蓝线）的在传输方向上的渐变得到的。然而，本图中的发散角比实际上大很多，x和y轴的标度和实际中也是不一样的。
由于波动性，光束中存在一些发散是不可避免的（假设光在各向同性介质中传输）。紧聚焦光束的发散角更大。如果一个光束发散角远大于物理上决定的发散角，那么光束就具有很差的光束质量。下面定量表示发散角后会给出更多细节讨论。
目录
光束发散角的定量表示
存在很多关于发散角的定量定义： — 最常用的定义是，光束发散角为光束半径对远场轴向位置的导数，也就是与束腰的距离远大于瑞利长度。这一定义延伸出半发散角概念（单位为弧度），依赖于光束半径的定义。对于高斯光束，光束半径通常定义为处于峰值强度的 1/e2 处对应的半径。而非高斯形状的光束，可以采用积分公式，在光束半径词条中有具体讨论。有时采用全角度，是半发散角的两倍。 — 除了在高斯光束中取处于 1/e2 峰值强度处对应的点的角度作为发散角之外，还可以采用半高全宽（FWHM）发散角。在激光二极管和发光二极管数据表格中通常采用。高斯光束中，采用这种定义的发散角是由高斯光束半径确定的半发散角的1.18倍。
举个例子，小的边发射激光二极管快轴对应的FWHM光束发散角为30°。这对应 25.4° = 0.44 rad 1/e2的半发射角，很显然为了在不截断它的情况下使这一光束准直需要采用相当大数值孔径的棱镜。很大发散的光束需要采用一些光学装置以避免球面象差引起的光束质量下降。
高斯光束的发散角和质量较差的光束
对于衍射极限的高斯光束，1/e2 光束半发散角为λ / (π w0)，其中 λ 是波长，w0是束腰半径。这一方程基于傍轴近似，因此只有当光束发散角不是很大时才适用。
给定光束半径，更大的光束发散角，也就是，更大的光束参数乘积，与光束质量有关，代表将光束会聚成非常小的点的可能性更小。如果用因子 M2来表征光束质量，那么半发散角为：
举个例子，Nd:YAG激光器产生的1064 nm的光束具有理想的光束质量（M2 = 1），光束半径为1 mm，半发散角只有 0.34 mrad = 0.019°。
空间傅里叶变换
将激光光束的复电场空间进行傅里叶变换变为横向坐标的函数是非常实用的（傅里叶光学）。这样可把光束看做一系列平面波的叠加，而傅里叶变换表明平面波的振幅和相位都进行变换。在自由空间中传播时，只有相位值有变化。
空间傅里叶变换的宽度，例如均方根宽度，与光束发散角有直接关系。这表示通过计算光束轴向任一点的横向复振幅就可以得到光束发散角，这里假设光束是在各向同性介质中传播（例如空气）。
测量光束发散角
为了测量光束发散角，通常测量光束散焦度，也就是采用光束分析仪测量不同位置的光束半径。
也可以从某一平面的复振幅分布来得到光束发散角。这些数据可利用Shack-Hartmann波前传感器来得到。
定义：衡量激光光束的聚焦程度。
激光光束的光束质量具有多个定义，通常被用来衡量激光光束在特定情况下（例如，有限的光束发散角的情况下）聚焦的程度。常用的量化光束质量的方法有： — 光束参数乘积（BPP），也就是束腰处的光束半径与远场光束发散角的乘积 — M2因子，定义为光束参数乘积与其相同波长的衍射极限高斯光束的BPP的比值 — M2的倒数，光束质量很高时这一值很大
光束质量高代表波前平滑，因此采用透镜对光束聚焦时，当波前是平面时得到焦点。图1中的波前形状很难聚焦，也就是给定光斑大小的光束发散角变大了。
图1：光束质量比较差的激光光束，该光束很难聚焦。
衍射极限高斯光束的光束质量最好，这时M2 = 1。许多激光器的光束都接近这一值，尤其是单横向模式（参阅单模工作）的固态体激光器和采用单模光纤的光纤激光器，或者一些低功率激光二极管（尤其是VCSELs）。但是有些高功率激光器（例如，固态体激光器和半导体激光器，例如二极管激光阵列）的 M2值高达100甚至超过1000，这通常是由于增益介质中热效应引起的波前畸变或者激光晶体中有效模式面积和泵浦面积不匹配，而高功率半导体激光器中光束质量差是由于采用了多模波导。而上面的情形中，光束质量差通常与高阶共振模式被激发有关。
聚焦衍射极限光束时（也就是该处光束半径为最小值），光波前是平的。由于光学元件质量差引起的波前不规则，例如透镜组的球形象差，增益介质的热效应，圆孔衍射或者寄生反射灯，都会使光束质量变差。对于单色光束，利用相位掩膜完全补偿波前畸变理论上可以保持光束质量，但是实际中非常困难，即使畸变是稳态的也是如此。可以采用更灵活的方案，将自适应光学与波前传感器相结合。
采用非共振的模清洁器或者模清洁腔可以提高激光光束的光束质量。但是这会损失部分光功率。
激光器的亮度由输出功率和光束质量决定。
有时光束质量被定性的用于某些地方，表示的意义与之前描述的聚焦程度关系很小。有些应用中，需要得到非常平滑的光束强度截面，例如高斯型，这时不需要考虑光束发散角。光束的质量不需要采用之前采用的 M2，光束可以具有相对比较小的 M2值但是同时具有多个峰值，而也有光束具有非常平滑的光束形状但是发散角很大，因此 M2值很大。
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测量光束质量
根据ISO标准11146，可以采用拟合过程计算光束质量因子 M2，应用于测量光束在传输方向上光束半径的变化（如图2）。为了得到正确结果，在光束半径的严格定义和数据点的位置选取时，需要遵守一些规则。
图2：根据测量的焦散面计算得到的光束质量。黑色的数据点是用来拟合曲线的点，忽略了灰色的数据点。（根据ISO标准11146，需要平均选取数据点，有些位于焦点附近，而其他的点则离焦点有一段距离）
商用的光束分析仪可以在几秒内自动测量光束质量。仪器是测量不同位置处的光束剖面来得到光束质量的。采用不同原理的光束分析仪，例如，采用CCD和CMOS相机或者旋转刀边或旋转刀缝，在允许的光束半径范围，光功率，波长范围等方面是不同的。例如，缝或者刀边扫描仪可以扫描比相机系统更高的功率，对于近高斯型光束测量很准确，而采用相机系统更适用于复杂波形。如果光束功率随时间变化则会产生其它的问题，例如，调Q激光器的输出光。这时需要用一个快门与激光脉冲同步。
为了消除移动部件对系统的影响，可以采用空间光调制器，而不需要移动探测器。
另外的测量方法包括：采用光束通过模式匹配的被动光振荡器后的透射光测量，或者采用波前传感器，例如，Shack-Hartmann传感器。此时分析激光光束只需要分析某一平面的波前面即可。
应用中光束质量的重要性
当需要紧聚焦光束时，高的光束质量非常必要。在激光材料加工、印刷、标记、切割和钻探中需要很高的光束质量，而焊接和其它表面处理则相对不太需要很高的光束质量，因为它们采用的光斑较大，因此可以采用光束质量稍差的高功率激光二极管。激光切割和远程焊接中，需要光束质量相对较高（M2值不要大于10）用于较大工作距离（也就是工件与聚焦目标之间距离），这样是为了保护光学元件避免烟雾和损伤。在光束传输系统中，光束质量高可以减小光束直径，这样可以采用更小更便宜的光学元件（例如，镜子和棱镜）。还有，增大有效瑞利长度（给定光斑大小）可以提高纵向对准允差。
光束质量高可以允许工作距离比较大，这在设计二极管泵浦激光器时也非常重要，因为泵浦光束在进入激光器晶体前需要通过很多光学元件（例如，二向色镜）。
干涉仪、光学数据记录、激光显微镜等类似领域通常需要很高的光束质量（近于衍射极限）和高空间相干性。
锁模激光器需要具有很高的光束质量，因为高阶纵向模式的激发会干扰脉冲形成过程。
一些激光器的光束质量
通常来讲，光束质量不依赖于激光器类型，但是也存在一些规律： — 大多数低功率二极管泵浦固态激光器的光束质量很高（接近衍射极限）。 — 许多气体激光器与上相同，例如氦氖激光器和二氧化碳激光器。 — 一些高功率固态激光器的光束质量很差，主要是因为激光器晶体的强热学效应引起光束畸变。另外，需要在高光束质量和高功率效率之间权衡，或者高光束质量和低对准灵敏度之间。 — 低功率激光二极管通常具有比较高的光束质量，而高功率激光二极管的光束质量则比较差。这主要是因为功率高需要辐射孔径大，因此采用的波导具有多个模式。（不能减小数值孔径）
优化激光光束质量
为了得到高光束质量的固态体激光器，关键因素为： — 优化谐振腔设计得到合适的模式面积（尤其是在增益介质中）和对热透镜效应的低灵敏度 — 谐振腔对准 — 将热效应最小化，尤其是增益介质中的热透镜效应 — 高质量光学元件（尤其是增益介质） — 优化的泵浦强度分布（有时需要泵浦光源光束质量比较高），采用端泵浦比边泵浦更简单
非线性光学中的光束质量
不仅激光器中需要考虑光束质量，非线性频率转换中也需要考虑。由于只有当平均功率很高时，非线性晶体材料中才存在热透镜效应（因为只有弱寄生吸收产生热），还存在其它效应会影响光束质量： — 空间游走会使相互作用光束发生偏移，因此交叠变小，相互作用在空间上不对称。 — 在倍频或者光参量放大器等强频率转换过程中，在光束轴向的泵浦光束存在很强的损耗甚至会背向转换，极限情况下会形成明显的环形结构。增益导引会使这一问题更加严重。光束质量问题会限制高增益非线性频率转换装置的功率扩展性。对于超短脉冲，群速度失配和其它效应甚至会使光束质量随时间变化。
在非线性频率转换装置中，如果采用的激光的光束质量很差会极大的降低转换效率。 非线性光学中光束质量的影响可以采用一些数值模型来研究，表征光束空间分布（甚至随时间的分布）的变化情况。