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(xué)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(cè)量激光光束的強(qiáng)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(cè)量激光光束的整個(gè)光強(qiáng)截面，即不僅能測(cè)量光束半徑還可以測(cè)量得到細(xì)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(duì)準(zhǔn)，而測(cè)量光軸不同位置處的光束半徑可以計(jì)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(qiáng)度截面。后者強(qiáng)度變化更加復(fù)雜。這種多模光束可由諧振腔基模遠(yuǎn)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(yīng)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(jī)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(jī)。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(jī)都能得到5μm量級(jí)(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(gè)毫米，因此可以處理非常大的光束。

不同的波長(zhǎng)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(dǎo)可以達(dá)到1或1.1 μm，而InGaAs探測(cè)器可以用于波長(zhǎng)達(dá)到約1.7 μm。

對(duì)于更長(zhǎng)的波長(zhǎng)，例如表征CO2激光器的光束性能，采用熱電的或者微測(cè)輻射熱計(jì)相機(jī)就可以。這些相機(jī)相對(duì)比較昂貴。鑒于該激光器的輸出功率很高，因此其相對(duì)較低的響應(yīng)度也不算是一個(gè)缺點(diǎn)。對(duì)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(zhǎng)的波長(zhǎng)區(qū)域，而不會(huì)損傷相機(jī)陣列。

相機(jī)式傳感器的空間分辨率是一個(gè)非常重要的量。對(duì)于硅傳感器，像素大小可以低至10 μm，因此可以測(cè)量50 μm量級(jí)的光束直徑。InGaAs探測(cè)器具有更大的像素大小，寬度為30 μm，然而熱電相機(jī)陣列不能達(dá)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(zhǎng)度較大。因此，若測(cè)量M2，需要更大的空間。像素個(gè)數(shù)在實(shí)際中也很重要，數(shù)目大表示可以測(cè)量更大范圍內(nèi)的光束直徑。

當(dāng)用于窄線寬激光器時(shí)，相機(jī)式系統(tǒng)對(duì)時(shí)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(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的影響，需要非常仔細(xì)的光學(xué)設(shè)計(jì)(無窗口，會(huì)引起寄生反射)。

很多相機(jī)都對(duì)光非常敏感，通常比需要的還要敏感。因此光在進(jìn)入相機(jī)前需要先經(jīng)過衰減。有時(shí)也需要采用一些成像光學(xué)(例如，光束放大器用來擴(kuò)大光束半徑的范圍)，這樣相機(jī)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(xué)裝置不應(yīng)該引入附加畸變效應(yīng)。

記錄的光束截面可以顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上，同時(shí)還包括測(cè)量的參數(shù)，例如光束半徑，光束位置，橢圓度和統(tǒng)計(jì)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(jiǎn)單的1/e2標(biāo)準(zhǔn)。

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(gè)或者多個(gè)針孔、狹縫或者刀口來掃描光束截面。任一情況下，一些機(jī)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(gè)光電探測(cè)器或一些電子裝置記錄。采用計(jì)算機(jī)(PC或者內(nèi)置微處理器)根據(jù)測(cè)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(guān)系被分離開來得到光束的一維強(qiáng)度截面，然后移動(dòng)的狹縫可以直接得到強(qiáng)度截面。

掃描系統(tǒng)的空間分辨率可以高達(dá)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(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是光電探測(cè)器不需要具有很高的空間分辨率，因此適用于不同波長(zhǎng)區(qū)域的探測(cè)器都能使用。另外，與相機(jī)式相比，這種方法也可以得到更大的動(dòng)態(tài)范圍?？梢猿袚?dān)的功率從mW到W量級(jí)。也很容易在進(jìn)入探測(cè)器間進(jìn)行光束衰減，因?yàn)樗枰墓馐|(zhì)量比相機(jī)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?yàn)椋涗浀男盘?hào)通常在一個(gè)空間方向，因此重塑復(fù)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(fù)速率的情形;需要注意的是，最小的重復(fù)速率與光束直徑有關(guān)。

奧萊光電Beamfiler光斑分析儀可實(shí)現(xiàn)激光光斑檢測(cè)及測(cè)試應(yīng)用。為客戶提供定制光束質(zhì)量分析一體化設(shè)計(jì)解決方案，并支持多應(yīng)用開發(fā)。通過光束分析裝置一體化設(shè)計(jì)，配套衰減方案設(shè)計(jì)，最小可測(cè)量直徑40μm光斑，支持實(shí)時(shí)曝光及增益調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)可以對(duì)連續(xù)可見激光光斑進(jìn)行采樣，分析得到激光光斑中心，半徑，橢圓比等，并對(duì)光強(qiáng)能量場(chǎng)進(jìn)行二維和三維顯示?？蓮V泛用于需要對(duì)激光光斑形狀進(jìn)行檢測(cè)得場(chǎng)合，如激光生產(chǎn)，維護(hù)以及激光應(yīng)用。也常用于光學(xué)器件質(zhì)量檢查，激光腔鏡調(diào)整，外光路準(zhǔn)直，光纖對(duì)準(zhǔn)耦合分析等。