光束質量分析儀的原理介紹與作用

光束質量分析儀這款光學儀器您用過嗎?今天跟大家介紹一下光束質量分析儀。

光束質量分析儀是測量激光光束的強度截面的裝置。光束質量分析儀(光束分析儀，模式分析儀)是一種診斷裝置，可以測量激光光束的整個光強截面，即不僅能測量光束半徑還可以測量得到細節形狀。

光束質量分析儀可以用于以下方面：定性給出光束截面可以用于激光的對準，而測量光軸不同位置處的光束半徑可以計算 M2因子或者光束參量乘積，定性表征光束質量。

圖1：高斯光束(左圖)和多模激光光束(右圖)的強度截面。后者強度變化更加復雜。這種多模光束可由諧振腔基模遠小于增益介質中泵浦區域的激光器產生。

采用合適的激光光束診斷方法控制光束質量在很多激光器應用中都很重要，例如，材料加工;例如，如果可以控制光束質量，就可以得到更加一致的鉆孔質量。

相機式光束質量分析儀

很多光束質量分析儀采用一些數碼相機。在可見光和近紅外光譜區域，CMOS和CCD是最常見的。CMOS裝置更加便宜，但是CCD具有更好的線性和更低的噪聲。CCD和CMOS相機都能得到5μm量級(由像素大小得到的)的分辨率，因此光束半徑可以小到50 μm甚至更小。有源區面積的尺寸為幾個毫米，因此可以處理非常大的光束。

不同的波長區域需要采用不同的傳感器類型。硅基傳感器非常適用于可見光和近紅外光譜區域，波導可以達到1或1.1 μm，而InGaAs探測器可以用于波長達到約1.7 μm。

對于更長的波長，例如表征CO2激光器的光束性能，采用熱電的或者微測輻射熱計相機就可以。這些相機相對比較昂貴。鑒于該激光器的輸出功率很高，因此其相對較低的響應度也不算是一個缺點。對于紫外線激光器，CCD和CMOS陣列可以與UV轉換板結合使用，將輻射光轉化成更長的波長區域，而不會損傷相機陣列。

相機式傳感器的空間分辨率是一個非常重要的量。對于硅傳感器，像素大小可以低至10 μm，因此可以測量50 μm量級的光束直徑。InGaAs探測器具有更大的像素大小，寬度為30 μm，然而熱電相機陣列不能達到小于100 μm。很低的空間分辨率的結果就是光束尺寸需要比較大，因此瑞利長度較大。因此，若測量M2，需要更大的空間。像素個數在實際中也很重要，數目大表示可以測量更大范圍內的光束直徑。

當用于窄線寬激光器時，相機式系統對時間相干引起的偽影非常敏感。為了抑制這些偽影并消除器對測量數據的影響，需要非常仔細的光學設計(無窗口，會引起寄生反射)。

很多相機都對光非常敏感，通常比需要的還要敏感。因此光在進入相機前需要先經過衰減。有時也需要采用一些成像光學(例如，光束放大器用來擴大光束半徑的范圍)，這樣相機記錄的光束截面就等同于其它位置(相平面)的光束截面。這可以很好的屏蔽雜散光。但是，采用的光學裝置不應該引入附加畸變效應。

記錄的光束截面可以顯示在計算機屏幕上，同時還包括測量的參數，例如光束半徑，光束位置，橢圓度和統計信息，或者高斯擬合。軟件可以選擇不同方法確定光束半徑，例如D4σ方法或者簡單的1/e2標準。

采用狹縫、刀口或針孔的掃描光束質量分析儀

有的光束分析儀可以采用一個或者多個針孔、狹縫或者刀口來掃描光束截面。任一情況下，一些機械部分(固定在旋轉部分上)快速通過光束，而透射功率由一個光電探測器或一些電子裝置記錄。采用計算機(PC或者內置微處理器)根據測量數據得出光束截面，然后顯示在屏幕上。例如，透射功率與刀口位置的關系被分離開來得到光束的一維強度截面，然后移動的狹縫可以直接得到強度截面。

掃描系統的空間分辨率可以高達幾微米，甚至接近于1微米(尤其是掃描針孔或狹縫)，適用于表征小直徑光束。掃描的一個重要優點是光電探測器不需要具有很高的空間分辨率，因此適用于不同波長區域的探測器都能使用。另外，與相機式相比，這種方法也可以得到更大的動態范圍。可以承擔的功率從mW到W量級。也很容易在進入探測器間進行光束衰減，因為它需要的光束質量比相機式系統低很多。

掃描光束質量分析儀特別適用于光束截面接近于高斯型光束的情況，尤其是采用狹縫或者刀口掃描的系統，因為，記錄的信號通常在一個空間方向，因此重塑復雜的光束形狀通常得到的結果不是很理想。

有些掃描光束質量分析儀可以用于脈沖激光光束，例如來自于調Q激光器的光束。但是，它只適用于足夠高的脈沖重復速率的情形;需要注意的是，最小的重復速率與光束直徑有關。

奧萊光電Beamfiler光斑分析儀可實現激光光斑檢測及測試應用。為客戶提供定制光束質量分析一體化設計解決方案，并支持多應用開發。通過光束分析裝置一體化設計，配套衰減方案設計，最小可測量直徑40μm光斑，支持實時曝光及增益調節。該系統可以對連續可見激光光斑進行采樣，分析得到激光光斑中心，半徑，橢圓比等，并對光強能量場進行二維和三維顯示。可廣泛用于需要對激光光斑形狀進行檢測得場合，如激光生產，維護以及激光應用。也常用于光學器件質量檢查，激光腔鏡調整，外光路準直，光纖對準耦合分析等。