光束分析儀（光束分析儀、模式分析儀）是一種用于激光束表征的診斷設(shè)備，它可以測量激光束的整個光學(xué)強度分布，即不僅是光束半徑，還包括詳細(xì)形狀。

光束輪廓儀的使用方式多種多樣;光束輪廓的定性印模有助于激光的對準(zhǔn)，而沿光束軸不同位置的光束半徑（焦散）的測量允許計算M2因素或光束參數(shù)積，定量表征光束質(zhì)量。

圖 1：高斯光束（左）和多模激光束（右）的強度分布。后者表現(xiàn)出更復(fù)雜的強度變化。這種多模光束可以在激光器中產(chǎn)生，其中基本諧振器模式明顯小于增益介質(zhì)中的泵浦區(qū)域。

使用適當(dāng)?shù)募す馐\斷進(jìn)行光束質(zhì)量監(jiān)測對于許多激光應(yīng)用（例如激光材料加工）都非常重要;例如，如果監(jiān)控光束質(zhì)量，則可以更一致地實現(xiàn)鉆孔的質(zhì)量。

基于相機的光束輪廓儀

許多光束輪廓儀都基于某種類型的數(shù)碼相機。對于可見光和近紅外光譜區(qū)域，CMOS 和 CCD 相機是最常見的。CMOS 器件更便宜，但 CCD 通常具有更好的線性度和更低的噪聲。CCD 和 CMOS 相機的分辨率（由像素大小給出）約為 5 μm，因此光束半徑可能小至 50 μm 甚至更小。有效區(qū)域的尺寸可達(dá)幾毫米，因此可以處理非常大的光束。

不同的波長區(qū)域需要不同的傳感器類型。硅基傳感器是可見光和近紅外光譜區(qū)域波長高達(dá) 1 或 1.1 μm 的不錯選擇，而基于 InGaAs 的探測器可以使用高達(dá) 1.7 μm ≈。對于更長的波長，例如用于CO2激光器、熱釋電和微測輻射熱計紅外熱像儀都是合適的。這些相當(dāng)昂貴。鑒于此類激光器的高輸出功率，它們相對較低的響應(yīng)度可能不是缺點。對于紫外激光器，CCD 和 CMOS 陣列可以與紫外轉(zhuǎn)換板結(jié)合使用，將輻射轉(zhuǎn)換為更長的波長，而不會損壞陣列。

圖 2：一種用于 M 的激光光束輪廓儀2測量，由安裝在電動平移臺上的 CCD 相機組成。

相機傳感器的空間分辨率是一個重要的量。使用硅傳感器，像素尺寸可能遠(yuǎn)低于 10 μm，從而可以測量低至 50 μm 的光束直徑。InGaAs 探測器的像素要大得多，寬度為 30 μm，而熱釋電陣列的像素不會低于 100 μm。低空間分辨率的結(jié)果是必須保持較大的光束尺寸，這也會導(dǎo)致瑞利長度過長。因此，完整的 M 需要更多的空間2測量。像素的數(shù)量也具有實際意義;較大的數(shù)字允許在更大的范圍內(nèi)測量光束直徑。

當(dāng)與窄線寬激光輻射一起使用時，基于相機的系統(tǒng)對高時間相干性引起的偽影特別敏感。需要仔細(xì)的光學(xué)設(shè)計（沒有窗口，導(dǎo)致寄生反射）來抑制此類偽影和/或消除它們對測量數(shù)據(jù)的影響。

大多數(shù)相機對光的敏感度都很高，通常比所需的要高得多。然后，在撞擊相機之前，必須對激光束進(jìn)行衰減（見下文）。也可以使用一些成像光學(xué)元件（例如用于擴大允許光束半徑范圍的擴束器或減束器），以便相機記錄在其他位置（成像平面）出現(xiàn)的光束輪廓。這也允許對環(huán)境光進(jìn)行良好的屏蔽。但是，光學(xué)元件當(dāng)然不應(yīng)引入過多的光學(xué)像差。

記錄的光束輪廓可以顯示在計算機屏幕上，可能與測量參數(shù)一起顯示，例如光束半徑、光束位置、橢圓度和統(tǒng)計信息，或高斯擬合。該軟件可能允許在確定光束半徑的不同方法之間進(jìn)行選擇，例如 D4σ 方法或簡單的1/e2標(biāo)準(zhǔn)。

基于狹縫、刀刃或針孔的掃描光束輪廓儀

還有一些光束輪廓儀，可以掃描帶有一個或多個針孔、狹縫或刀口的光束輪廓。在任何情況下，一些結(jié)構(gòu)化的機械部件（通常固定在旋轉(zhuǎn)部件上）都會快速通過光束移動，而傳輸?shù)墓β蕜t通過光電探測器和一些電子設(shè)備進(jìn)行記錄。計算機（PC 或內(nèi)置微處理器）用于從測量數(shù)據(jù)中重建光束輪廓并將其顯示在屏幕上。例如，傳輸?shù)墓β逝c刀口的位置基本上可以進(jìn)行區(qū)分，以獲得光束的一維強度分布，而移動狹縫直接提供強度分布。

掃描系統(tǒng)的空間分辨率可以高達(dá)幾微米，甚至接近一微米（特別是對于掃描針孔或狹縫），適用于小直徑光束的表征。掃描概念的一個重要優(yōu)點是所使用的光電探測器不需要具有空間分辨率，因此可以輕松使用用于非常不同波長區(qū)域的探測器。此外，與相機相比，它更容易獲得較大的動態(tài)范圍。可以處理的功率范圍從微瓦到瓦特不等。在探測器之前很容易實現(xiàn)光束衰減，因為所需的光學(xué)質(zhì)量遠(yuǎn)低于相機系統(tǒng)。

掃描光束輪廓儀，特別是那些基于狹縫或刀刃的光束輪廓儀，與高斯相差不遠(yuǎn)的光束輪廓，因為記錄的信號通常在一個空間方向上積分，因此復(fù)雜（更結(jié)構(gòu)化）光束形狀的重建并不好。

一些掃描光束輪廓儀也可用于脈沖激光束，例如來自 Q 開關(guān)激光器的激光束。但是，這僅適用于足夠高的脈沖重復(fù)率;請注意，最小重復(fù)率可能取決于光束直徑。

圖 3：掃描狹縫光束輪廓儀。PC 屏幕顯示兩個方向獲得的掃描以及重建的光束輪廓。

需要注意的重要問題

在為特定應(yīng)用選擇光束分析儀時，需要評估各種要求：

要測量的光束半徑或直徑的范圍是多少？所需的精度是多少？應(yīng)該使用光束半徑的什么定義？

所考慮的光束是否接近高斯分布，或者它們是否具有復(fù)雜的形狀，例如，在二極管棒的輸出中出現(xiàn)？

光功率的范圍是多少（通常取決于光束半徑）？是否需要具有較大動態(tài)范圍的設(shè)備，或者是否可以在較窄的光功率范圍內(nèi)工作？是否需要可調(diào)節(jié)的衰減器？

將設(shè)備連接到 PC（或筆記本電腦），例如通過 USB 2.0 電纜，或者設(shè)備是否應(yīng)該有自己的電子設(shè)備來顯示結(jié)果？

需要哪些軟件功能？例如，哪些光束參數(shù)需要直接顯示？該設(shè)備是否應(yīng)該能夠在較寬的光束半徑和功率范圍內(nèi)可靠地測量光束參數(shù)？是否需要數(shù)據(jù)記錄功能？

該設(shè)備是否必須能夠處理具有時間變化功率的光束，例如來自 Q 開關(guān)激光器的光束？

對于完整的光束質(zhì)量表征：設(shè)備是否應(yīng)該自動記錄不同位置的光束輪廓并計算M2因素?

光束衰減

在許多情況下，特別是對于基于相機的系統(tǒng)，在將激光束送入光束輪廓儀之前，必須先衰減激光束的功率。一些系統(tǒng)在傳輸中使用光衰減器（例如楔形中性密度濾光片）;也可以使用微弱的反射，例如來自高質(zhì)量玻璃板的反射。

盡管衰減可能看起來是一項微不足道的任務(wù)，但不適當(dāng)?shù)姆椒赡軙?dǎo)致許多問題。一些示例包括：

一些衰減器沒有很好的光學(xué)質(zhì)量，或者會通過基于表面反射的干涉效應(yīng)破壞窄線寬光束的光束質(zhì)量。

特別吸收的濾光片會破壞高功率水平下的光束質(zhì)量，因為此時會出現(xiàn)熱效應(yīng)（熱透鏡效應(yīng)）。

不建議使用高反射介電鏡的低殘余透射率進(jìn)行光束質(zhì)量測量，因為殘余透射率在很大程度上取決于反射鏡上的位置。

在布魯斯特角附近以 p 偏振作用的光學(xué)表面的微弱反射通常不合適，因為這樣的操作點對 s 偏振具有更高的反射率，因此可能只顯示激光增益介質(zhì)中的去偏振模式，而不是實際光束質(zhì)量。

由于某些方法僅以粗略且不可調(diào)的步長提供衰減，因此可能很難在探測器中達(dá)到最佳功率水平。

便利性的各個方面也可能很重要。例如，如果電子設(shè)備可以自動調(diào)整所需的衰減系數(shù)，這將很有幫助。

愛特蒙特光學(xué)

愛特蒙特光學(xué)提供相干®公司 Lasercam™ 光束分析儀以及自己的光束分析儀系列，旨在測量各種激光光束尺寸，提供信息以優(yōu)化激光系統(tǒng)運行。這些激光束輪廓儀具有高分辨率和大面積傳感器，可確保對小激光束和大激光束進(jìn)行準(zhǔn)確輪廓分析。

飛秒 Easy

Femto Easy 提供不同規(guī)格的 BeamPro 光束分析儀：

• BeamPro 小像素輪廓儀的像素尺寸從 1.45 μm 到 3 μm 不等。它們適用于測量直徑小至 10 μm 或更小的聚焦激光束。

• BeamPro 大面積輪廓儀適用于直徑大于 7 m，甚至高達(dá) 25 mm 的激光束，無需額外的光學(xué)元件。

• Beampro 緊湊型輪廓儀的厚度小于 15 mm，可在狹小空間內(nèi)進(jìn)行光束輪廓分析。

• BeamPro SWIR 輪廓儀可配備各種基于 InGaAs 的 SWIR 傳感器，用于測量 900 – 1700 nm 范圍內(nèi)的激光束。

它們都配備了功能強大且用戶友好的軟件。

興京

Kokyo 的光束分析儀（由我們自己開發(fā)）支持您的激光束測量：

• 波長：190 nm – 16 μm

• 光束直徑：2 μm – 200 mm

• 最大激光強度：100 W/cm2

Kokyo 提供不同的套餐：

• 集成軟件、相機和光學(xué)系統(tǒng)的軟件包

• 軟件和相機套裝

• 僅限軟件（您可以使用自己的相機）

該軟件 （LaseView） 還提供 7 天的免費試用。

Gentec 電光

在表征 UV 到近紅外范圍內(nèi)的激光束時，光束分析儀是解決方案。

得益于其高像素密度和大傳感器尺寸的組合，BEAMAGE 系列激光束診斷儀器具有雙重優(yōu)勢，即準(zhǔn)確表征僅幾十微米的極小光束和幾毫米寬的較大光束，從而在一個封裝中有效地涵蓋大多數(shù)應(yīng)用。

這個簡單的軟件非常直觀，但包含許多強大的功能，對基本用戶或高級用戶都很有用。此外，該軟件所做的計算符合 ISO 標(biāo)準(zhǔn)，并為用戶提供最準(zhǔn)確的光束表征，所有這些都在一個輕量級的環(huán)境中完成，不需要幾天就可以掌握。

CNI 激光器

CNI 根據(jù)不同的波長范圍和光斑大小提供各種光束分析儀：

• 可用于 190 nm 至 2100 nm 波長之間的設(shè)備

• 光束直徑從 1 μm 到 22.4 mm

• 最大功率高達(dá) 500 W

• 軟件界面顯示 2D 和 3D 能量分布以及激光束輪廓特征，例如光斑直徑、發(fā)散角和橢圓度

它廣泛用于科學(xué)研究和工業(yè)領(lǐng)域。

DataRay 數(shù)據(jù)

DataRay 提供激光光束輪廓儀，包括光束剖析相機、掃描狹縫光束輪廓儀和專用系統(tǒng)。

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