光束分析儀——對激光束進行整體光強分布測量的設備

光束分析儀（光束輪廓儀、模式輪廓儀）是一種用于激光束特性分析的診斷設備，它不僅可以測量激光束的整個光強分布，也可以測量激光束的具體形狀。

光束輪廓儀的使用方式多種多樣；光束輪廓的定性印象有助于激光對準，而在沿光束軸（焦散）的不同位置測量光束半徑可以計算M2因子或光束參數乘積，從而定量表征光束質量。

高斯光束（左）和多模激光束（右）的強度分布。后者表現出更復雜的強度變化。這種多模光束可以在激光器中產生，其中基本諧振腔模式比增益介質中的泵浦區域小得多。

具有適當激光束診斷功能的光束質量監控對于許多激光應用（例如激光材料加工）非常重要；例如，如果監控光束質量，可以更一致地實現鉆孔的質量。

基于相機的光束分析儀

許多光束分析儀都基于某種類型的數字化相機。對于可見光和近紅外光譜區，CMOS和CCD相機是最常見的。CMOS器件較便宜，但CCD通常具有更好的線性度和更低的噪聲。CCD和CMOS相機都可以實現5μm 數量級的分辨率（由像素大小給出），因此光束半徑可以小至50μm甚至更小。有效區域的尺寸可能高達幾毫米，因此可以處理非常大的光束。

用于M2測量的激光光束輪廓儀，由安裝在電動平移臺上的CCD相機組成。

不同的波長區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波長高達約1或1.1μm的不錯選擇，而 InGaAs 基探測器可用于高達≈1.7μm。對于更長的波長，例如CO2激光器的光束特性，熱釋電和微測輻射熱計紅外相機是合適的。這些相當昂貴。考慮到此類激光器的高輸出功率，它們相對較低的響應率可能不是缺點。用于紫外激光器、CCD和CMOS陣列可與UV轉換板結合使用，將輻射轉換為不會損壞陣列的更長波長。

相機傳感器的空間分辨率是一個重要的量。使用硅傳感器，像素尺寸遠低于10μm 是可能的，允許測量低至50μm 的光束直徑。InGaAs 探測器具有更大的像素，寬度例如為30μm，而熱釋電陣列不會遠低于100μm。低空間分辨率的結果是光束尺寸必須保持較大，這也會導致瑞利長度較長。因此，完整的M 2測量需要更多空間。像素的數量也很重要；更大的數字允許在更大的范圍內測量光束直徑。

當與窄線寬激光輻射一起使用時，基于相機的系統對由高時間相干性引起的偽影特別敏感。需要仔細的光學設計（沒有窗口，導致寄生反射）來抑制此類偽影和/或消除它們對測量數據的影響。

大多數相機對光非常敏感——通常比需要的要多得多。然后激光束必須在擊中相機之前衰減。也可以使用一些成像光學器件（例如，用于擴大允許的光束半徑范圍的光束擴展器或光束縮小器），以便相機記錄在某個其他位置（成像平面）出現的光束輪廓。這也可以很好地屏蔽環境光。然而，光學器件當然不應引入過多的光學像差。

記錄的光束輪廓可以與測量參數一起顯示在計算機屏幕上，例如光束半徑、光束位置、橢圓率和統計信息，或高斯擬合。軟件可以允許在確定光束半徑的不同方法之間進行選擇，例如 D4σ方法或簡單的 1/e2標準。

基于狹縫、刀刃或針孔的掃描光束輪廓儀

也有光束分析儀可以掃描帶有一個或多個針孔、狹縫或刀刃的光束輪廓。在任何情況下，一些結構化的機械部件（通常固定在旋轉部件上）通過光束快速移動，同時用光電探測器和一些電子設備記錄傳輸的功率。計算機（PC 或內置微處理器）用于根據測量數據重建光束輪廓并將其顯示在屏幕上。例如，為了獲得光束的一維強度分布，傳輸功率與刀刃位置的關系可以本質上是微分的，而移動狹縫直接提供強度分布。

掃描狹縫光束分析儀。PC 屏幕顯示在兩個方向上獲得的掃描以及重建的光束輪廓。

掃描系統的空間分辨率可高達幾微米，甚至接近單微米（特別是掃描針孔或狹縫），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域的探測器。此外，與例如相機相比，更容易獲得大的動態范圍。可以處理的功率范圍可以從微瓦到瓦。很容易實現檢測器之前的光束衰減，因為所需的光學質量遠低于相機系統。

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，最適用于離高斯分布不太遠的光束輪廓，因為記錄的信號通常是在一個空間方向上進行整合，這樣復雜的（結構化程度更高）的重構) 光束形狀并不完美。

一些掃描光束輪廓儀也可用于脈沖激光束，例如來自Q 開關激光器的那些。然而，這只適用于足夠高的脈沖重復率；請注意，最小重復率可能取決于光束直徑。

要觀察的重要問題

在為特定應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？所需的準確度是多少？應該使用什么樣的光束半徑定義？

• 所考慮的光束是否接近高斯，或者它們是否具有復雜的形狀，例如出現在二極管條的輸出中？

• 光功率范圍是多少（通常取決于光束半徑）？是否需要具有大動態范圍的設備，或者是否可以在狹窄的光功率范圍內工作？是否需要可調衰減器？

• 將設備連接到 PC（或膝上型計算機）是否最方便，例如通過 USB 2.0 電纜，或者設備是否應該有自己的電子設備來顯示結果？

• 需要哪些軟件功能？比如哪些光束參數需要直接顯示？該設備是否應該能夠在較寬的光束半徑和功率范圍內可靠地測量光束參數？是否需要數據記錄功能？

• 該設備是否有必要處理功率隨時間變化的光束，例如來自 Q 開關激光器的光束？

• 對于完整的光束質量表征：設備是否應自動記錄不同位置的光束輪廓并計算M 2因子？

光束衰減

在許多情況下——特別是對于基于相機的系統——在將激光束發送到光束分析儀之前，必須首先衰減激光束的功率。一些系統在傳輸中使用光衰減器（例如楔形中性密度濾波器）；也可以利用例如來自高質量玻璃板的弱反射。

盡管衰減可能看起來是一項微不足道的任務，但不適當的方法可能會導致許多問題。一些例子是：

• 一些衰減器沒有良好的光學質量，或者會通過基于表面反射的干涉效應破壞窄線寬光束的光束質量。

• 特別是吸收濾波器會在高功率水平下破壞光束質量，在那里會發生熱效應。

• 不建議使用高反射介質鏡的低剩余透射率進行光束質量測量，因為剩余透射率可能強烈依賴于反射鏡上的位置。

• 在布儒斯特角附近用 p 偏振操作的光學表面的弱反射通常是不合適的，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中的去偏振模式，而不是實際光束質量。

• 由于某些方法僅以粗略且不可調整的步長提供衰減，因此可能難以在檢測器中達到最佳功率水平。

便利性方面也可能很重要。例如，如果電子設備可以自動調整所需的衰減系數，則很有幫助。

Femto Easy BeamPro光束輪廓儀

Femto Easy是一家專門從事超快測量的公司，在高能超短脈沖的生產和表征方面擁有豐富的專業知識，為超快激光器提供穩健可靠的測量設備，這些設備已在多個最先進的實驗室中使用。Femto Easy 提供各種不同規格的BeamPro 光束輪廓儀。且非常易于使用、緊湊、便攜和多功能，這使它們成為客戶服務的理想工具。

• BeamPro緊湊型光束輪廓儀可以輕松集成到大多數復雜環境中，可以通過網絡從遠程屏幕控制多個 BeamPro。它們適用于 190 至 1100 nm 的波長和大至 12 mm 的光束。還有用于聚焦光束測量的像素小至 1.67 μm 的高分辨率型號。

• BEAMPRO一英寸光束輪廓儀是具有最大可用測量區域的特殊型號，大尺寸傳感器，能夠測量直徑達25mm的光束。

• BeamPro SWIR光束分析儀基于 InGaAs 傳感器，分辨率 640 x 512，像素間距 : 15 μm，可以測量 900-1700nm范圍內的光束。它具有集成的熱電冷卻功能，可提高低照度應用中的靈敏度。

產品特點

• 強大且友好的軟件

• 緊湊的設計

• 多個波長范圍選項

• 中性密度濾光片選項

• C接口（提供CS或SM1適配器）

• 提供定制傳感器設計

• 無窗選項