測量激光光束輪廓的儀器

光束輪廓的強度分布是激光分析中的一個重要參數，它將決定激光束在其應用過程中的性能表現如何，在特定的設置之下，也將會決定整個激光系統的性能。激光在真空中傳播時，會沿著其傳播路徑產生不同的寬度和強度分布，這種現象是根據激光諧振腔，發散的程度，與光學元件的相互作用以及電子激光器的特性而不斷變化的。盡管現有的理論已經能準確的預測到激光傳播的真實情況，但是對于專業的研究人員和激光廠商來說，準確的測量光束輪廓的強度是非常重要的。 

激光光束寬度的定義

通常情況下，激光光束寬度定義為：光束強度為其峰值的1/e2（13.5％）時所對應的寬度尺寸。該值是通過測定高斯光而得出的，并準確地描述了在TEM00模型下激光器的光束分布。大部分激光器發出的基本上都是高斯光，因此這種簡單定義方法在行業中普遍接受。

在IS011146標準中，為光束寬度下了一個更為準確的定義，該標準定義以功率密度分布的中心二階矩為基礎，光束橫截面上功率密度分布的范圍就是光束寬度。二階矩的點是從原始強度數據計算得出的值，它對噪聲非常的敏感。還有一種測量光束寬度的方法，可以對光束積分計算出，不會因為噪聲問題而影響測量結果，這種方法被稱之為刀口法。 

采用激光輪廓分析儀測試激光橫模內的能量分布情況。軟件界面上可顯示能量的一維、二維和三維能量分布情況，以及光斑直徑、發散角和橢圓度等激光橫模輪廓特征。

軟件中光斑直徑可提供四種計量方法的測試結果，其中最廣泛使用的是以峰值的13.5%(1/e2)為邊界的定義方法；而光斑橢圓度的定義則是最小方向的4Sigma光斑直徑與最大方向的4Sigma光斑直徑的比值。

激光發散角是描述激光發散度的物理量，激光器的發散角測量方法大致可歸結為測量近場與遠場的光斑直徑，通過計算兩光斑直徑的差與兩個位置的距離之間的正切值，可以確定其發散的角度值，再轉換成空間角度值即可。

其測量如下：

光束寬度測量技術

光束輪廓測量儀器主要有四種類型：相機型光斑分析儀，刀口型光斑分析儀，狹縫掃描型光束質量分析儀和針孔掃描型光斑分析儀，每一種都有其各自的優點和缺點。不同的測量方法得出的結果也略有不同，根據以往的測試經驗，與CMOS技術相比，使用CCD光束輪廓儀，測量脈沖激光束的更準確；使用刀口技術時，尤其是與斷層圖像重建程序搭配使用時，測量連續激光束更準確。

相機型光斑分析儀

相機型光斑分析儀使用二維陣列，可以即時的記錄，并且顯示激光束強度的分布。它會逐點地記錄激光束的強度分布，并將生成的圖像傳入到電腦上，在軟件上就可以呈現一個3維的光束輪廓圖像。連續波和脈沖激光束均可用相機型光斑分析儀進行測量。但是這類儀器的通病是，它們在測量時分辨率受到像素大小的限制（5-10um），所以不能夠測量寬度小于60um的光束。

刀口型光斑分析儀

該儀器通過刀口的機械型移動，掃過光束，從而刀口在光束之間移動時會遮擋到探測器接受的激光能量，然后結合刀口的移動速度及探測器接收到的能量數據來計算光束的輪廓。與其他刀口型測量系統有所不同，我們的掃描技術使用了多個刀口，每個刀口都有其獨特的移動軌跡，來掃過光束，每個刀口將產生與其掃描方向相對應的輪廓。使用斷層攝影算法對掃描后的各輪廓進行數據處理，以生成類似于CCD相機產生的圖像分布。

眾所周知，刀口型掃描系統的測量結果非常精確，其測量能力可低至幾微米，max可達幾毫米，靈敏度范圍在190nm-2700nm之間。

斷層掃描技術

狹縫掃描型光束質量分析儀和刀口型光斑分析儀，都無法對激光束輪廓實現準確的3D重建。但是，可以應用斷層掃描技術（這與用MRI和CAT掃描儀制作內臟的3D圖像是同一種技術）來進行合理的近似計算。制作3D圖像的關鍵，就是要盡可能多得在不同方向上來掃描光束，為了能夠有效的層析成像分析，需要至少從三個不同方向進行掃描，如果從10個或10個以上的不同方向進行掃描，那重建出來的3D圖像將會與真實情況非常接近。

現如今，利用激光對材料進行加工處理的新應用越來越多，特別是光纖激光技術在輸出功率和光束質量方面取得了巨大進步。從紙面上的理論研究到千瓦功率光纖激光器的實物問世，并且已經應用到了各種加工領域當中，例如切割，焊接，燒蝕等。光纖激光器的優點是功率大、機械穩定性好、光束質量好。但是，光束質量和光束輪廓必須要定期的檢測。

一般情況下，檢測這種大功率激光的光束質量會存在很多的困難，特別是在密度超過50KWatt/cm2的焦點處。一方面是，光束的能量太大會使材料熔化或打壞材料，另一方面，測量聚焦輪廓是重要的測量方法。

在高分辨率，高靈敏度的光束采樣領域已經取得了前沿的研究進展。一些高端的光束采樣器可以在不失真的情況下采樣大約100000個，同時保留原光束的偏振性。