光束质量分析仪的原理介绍与作用

光束质量分析仪这款光学仪器您用过吗?今天跟大家介绍一下光束质量分析仪。

光束质量分析仪是测量激光光束的强度截面的装置。光束质量分析仪(光束分析仪，模式分析仪)是一种诊断装置，可以测量激光光束的整个光强截面，即不仅能测量光束半径还可以测量得到细节形状。

光束质量分析仪可以用于以下方面：定性给出光束截面可以用于激光的对准，而测量光轴不同位置处的光束半径可以计算 M2因子或者光束参量乘积，定性表征光束质量。

图1：高斯光束(左图)和多模激光光束(右图)的强度截面。后者强度变化更加复杂。这种多模光束可由谐振腔基模远小于增益介质中泵浦区域的激光器产生。

采用合适的激光光束诊断方法控制光束质量在很多激光器应用中都很重要，例如，材料加工;例如，如果可以控制光束质量，就可以得到更加一致的钻孔质量。

相机式光束质量分析仪

很多光束质量分析仪采用一些数码相机。在可见光和近红外光谱区域，CMOS和CCD是最常见的。CMOS装置更加便宜，但是CCD具有更好的线性和更低的噪声。CCD和CMOS相机都能得到5μm量级(由像素大小得到的)的分辨率，因此光束半径可以小到50 μm甚至更小。有源区面积的尺寸为几个毫米，因此可以处理非常大的光束。

不同的波长区域需要采用不同的传感器类型。硅基传感器非常适用于可见光和近红外光谱区域，波导可以达到1或1.1 μm，而InGaAs探测器可以用于波长达到约1.7 μm。

对于更长的波长，例如表征CO2激光器的光束性能，采用热电的或者微测辐射热计相机就可以。这些相机相对比较昂贵。鉴于该激光器的输出功率很高，因此其相对较低的响应度也不算是一个缺点。对于紫外线激光器，CCD和CMOS阵列可以与UV转换板结合使用，将辐射光转化成更长的波长区域，而不会损伤相机阵列。

相机式传感器的空间分辨率是一个非常重要的量。对于硅传感器，像素大小可以低至10 μm，因此可以测量50 μm量级的光束直径。InGaAs探测器具有更大的像素大小，宽度为30 μm，然而热电相机阵列不能达到小于100 μm。很低的空间分辨率的结果就是光束尺寸需要比较大，因此瑞利长度较大。因此，若测量M2，需要更大的空间。像素个数在实际中也很重要，数目大表示可以测量更大范围内的光束直径。

当用于窄线宽激光器时，相机式系统对时间相干引起的伪影非常敏感。为了抑制这些伪影并消除器对测量数据的影响，需要非常仔细的光学设计(无窗口，会引起寄生反射)。

很多相机都对光非常敏感，通常比需要的还要敏感。因此光在进入相机前需要先经过衰减。有时也需要采用一些成像光学(例如，光束放大器用来扩大光束半径的范围)，这样相机记录的光束截面就等同于其它位置(相平面)的光束截面。这可以很好的屏蔽杂散光。但是，采用的光学装置不应该引入附加畸变效应。

记录的光束截面可以显示在计算机屏幕上，同时还包括测量的参数，例如光束半径，光束位置，椭圆度和统计信息，或者高斯拟合。软件可以选择不同方法确定光束半径，例如D4σ方法或者简单的1/e2标准。

采用狭缝、刀口或针孔的扫描光束质量分析仪

有的光束分析仪可以采用一个或者多个针孔、狭缝或者刀口来扫描光束截面。任一情况下，一些机械部分(固定在旋转部分上)快速通过光束，而透射功率由一个光电探测器或一些电子装置记录。采用计算机(PC或者内置微处理器)根据测量数据得出光束截面，然后显示在屏幕上。例如，透射功率与刀口位置的关系被分离开来得到光束的一维强度截面，然后移动的狭缝可以直接得到强度截面。

扫描系统的空间分辨率可以高达几微米，甚至接近于1微米(尤其是扫描针孔或狭缝)，适用于表征小直径光束。扫描的一个重要优点是光电探测器不需要具有很高的空间分辨率，因此适用于不同波长区域的探测器都能使用。另外，与相机式相比，这种方法也可以得到更大的动态范围。可以承担的功率从mW到W量级。也很容易在进入探测器间进行光束衰减，因为它需要的光束质量比相机式系统低很多。

扫描光束质量分析仪特别适用于光束截面接近于高斯型光束的情况，尤其是采用狭缝或者刀口扫描的系统，因为，记录的信号通常在一个空间方向，因此重塑复杂的光束形状通常得到的结果不是很理想。

有些扫描光束质量分析仪可以用于脉冲激光光束，例如来自于调Q激光器的光束。但是，它只适用于足够高的脉冲重复速率的情形;需要注意的是，最小的重复速率与光束直径有关。

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