光束質(zhì)量分析儀的原理介紹與作用

光束質(zhì)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(zhì)量分析儀。

光束質(zhì)量分析儀是測量激光光束的強度截面的裝置。光束質(zhì)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(jié)形狀。

光束質(zhì)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(zhì)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(zhì)中泵浦區(qū)域的激光器產(chǎn)生。

采用合適的激光光束診斷方法控制光束質(zhì)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(zhì)量，就可以得到更加一致的鉆孔質(zhì)量。

相機式光束質(zhì)量分析儀

很多光束質(zhì)量分析儀采用一些數(shù)碼相機。在可見光和近紅外光譜區(qū)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(qū)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(qū)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(qū)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(zhuǎn)換板結(jié)合使用，將輻射光轉(zhuǎn)化成更長的波長區(qū)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(jié)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(shù)在實際中也很重要，數(shù)目大表示可以測量更大范圍內(nèi)的光束直徑。

當用于窄線寬激光器時，相機式系統(tǒng)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(shù)據(jù)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(jīng)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(shù)，例如光束半徑，光束位置，橢圓度和統(tǒng)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(zhì)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(zhuǎn)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(nèi)置微處理器)根據(jù)測量數(shù)據(jù)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(tǒng)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(yōu)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(qū)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(tài)范圍?？梢猿袚墓β蕪膍W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(zhì)量比相機式系統(tǒng)低很多。

掃描光束質(zhì)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(tǒng)，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(jié)果不是很理想。

有些掃描光束質(zhì)量分析儀可以用于脈沖激光光束，例如來自于調(diào)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。

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