光束分析儀（光束分析儀、模式分析儀）是一種用于激光束表征的診斷設備，它可以測量激光束的整個光學強度分布，即不僅是光束半徑，還包括詳細形狀。

光束輪廓儀的使用方式多種多樣;光束輪廓的定性印模有助于激光的對準，而沿光束軸不同位置的光束半徑（焦散）的測量允許計算M2因素或光束參數積，定量表征光束質量。

圖 1：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，其中基本諧振器模式明顯小于增益介質中的泵浦區域。

使用適當的激光束診斷進行光束質量監測對于許多激光應用（例如激光材料加工）都非常重要;例如，如果監控光束質量，則可以更一致地實現鉆孔的質量。

基于相機的光束輪廓儀

許多光束輪廓儀都基于某種類型的數碼相機。對于可見光和近紅外光譜區域，CMOS 和 CCD 相機是最常見的。CMOS 器件更便宜，但 CCD 通常具有更好的線性度和更低的噪聲。CCD 和 CMOS 相機的分辨率（由像素大小給出）約為 5 μm，因此光束半徑可能小至 50 μm 甚至更小。有效區域的尺寸可達幾毫米，因此可以處理非常大的光束。

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域波長高達 1 或 1.1 μm 的不錯選擇，而基于 InGaAs 的探測器可以使用高達 1.7 μm ≈。對于更長的波長，例如用于CO2激光器、熱釋電和微測輻射熱計紅外熱像儀都是合適的。這些相當昂貴。鑒于此類激光器的高輸出功率，它們相對較低的響應度可能不是缺點。對于紫外激光器，CCD 和 CMOS 陣列可以與紫外轉換板結合使用，將輻射轉換為更長的波長，而不會損壞陣列。

圖 2：一種用于 M 的激光光束輪廓儀2測量，由安裝在電動平移臺上的 CCD 相機組成。

相機傳感器的空間分辨率是一個重要的量。使用硅傳感器，像素尺寸可能遠低于 10 μm，從而可以測量低至 50 μm 的光束直徑。InGaAs 探測器的像素要大得多，寬度為 30 μm，而熱釋電陣列的像素不會低于 100 μm。低空間分辨率的結果是必須保持較大的光束尺寸，這也會導致瑞利長度過長。因此，完整的 M 需要更多的空間2測量。像素的數量也具有實際意義;較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。

大多數相機對光的敏感度都很高，通常比所需的要高得多。然后，在撞擊相機之前，必須對激光束進行衰減（見下文）。也可以使用一些成像光學元件（例如用于擴大允許光束半徑范圍的擴束器或減束器），以便相機記錄在其他位置（成像平面）出現的光束輪廓。這也允許對環境光進行良好的屏蔽。但是，光學元件當然不應引入過多的光學像差。

記錄的光束輪廓可以顯示在計算機屏幕上，可能與測量參數一起顯示，例如光束半徑、光束位置、橢圓度和統計信息，或高斯擬合。該軟件可能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

還有一些光束輪廓儀，可以掃描帶有一個或多個針孔、狹縫或刀口的光束輪廓。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）都會快速通過光束移動，而傳輸的功率則通過光電探測器和一些電子設備進行記錄。計算機（PC 或內置微處理器）用于從測量數據中重建光束輪廓并將其顯示在屏幕上。例如，傳輸的功率與刀口的位置基本上可以進行區分，以獲得光束的一維強度分布，而移動狹縫直接提供強度分布。

掃描系統的空間分辨率可以高達幾微米，甚至接近一微米（特別是對于掃描針孔或狹縫），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，與相機相比，它更容易獲得較大的動態范圍。可以處理的功率范圍從微瓦到瓦特不等。在探測器之前很容易實現光束衰減，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，與高斯相差不遠的光束輪廓，因為記錄的信號通常在一個空間方向上積分，因此復雜（更結構化）光束形狀的重建并不好。

一些掃描光束輪廓儀也可用于脈沖激光束，例如來自 Q 開關激光器的激光束。但是，這僅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。

圖 3：掃描狹縫光束輪廓儀。PC 屏幕顯示兩個方向獲得的掃描以及重建的光束輪廓。

需要注意的重要問題

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？所需的精度是多少？應該使用光束半徑的什么定義？

所考慮的光束是否接近高斯分布，或者它們是否具有復雜的形狀，例如，在二極管棒的輸出中出現？

光功率的范圍是多少（通常取決于光束半徑）？是否需要具有較大動態范圍的設備，或者是否可以在較窄的光功率范圍內工作？是否需要可調節的衰減器？

將設備連接到 PC（或筆記本電腦），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？例如，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？

該設備是否必須能夠處理具有時間變化功率的光束，例如來自 Q 開關激光器的光束？

對于完整的光束質量表征：設備是否應該自動記錄不同位置的光束輪廓并計算M2因素?

光束衰減

在許多情況下，特別是對于基于相機的系統，在將激光束送入光束輪廓儀之前，必須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光片）;也可以使用微弱的反射，例如來自高質量玻璃板的反射。

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。一些示例包括：

一些衰減器沒有很好的光學質量，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。

特別吸收的濾光片會破壞高功率水平下的光束質量，因為此時會出現熱效應（熱透鏡效應）。

不建議使用高反射介電鏡的低殘余透射率進行光束質量測量，因為殘余透射率在很大程度上取決于反射鏡上的位置。

在布魯斯特角附近以 p 偏振作用的光學表面的微弱反射通常不合適，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的步長提供衰減，因此可能很難在探測器中達到最佳功率水平。

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

愛特蒙特光學

愛特蒙特光學提供相干®公司 Lasercam™ 光束分析儀以及自己的光束分析儀系列，旨在測量各種激光光束尺寸，提供信息以優化激光系統運行。這些激光束輪廓儀具有高分辨率和大面積傳感器，可確保對小激光束和大激光束進行準確輪廓分析。

飛秒 Easy

Femto Easy 提供不同規格的 BeamPro 光束分析儀：

• BeamPro 小像素輪廓儀的像素尺寸從 1.45 μm 到 3 μm 不等。它們適用于測量直徑小至 10 μm 或更小的聚焦激光束。

• BeamPro 大面積輪廓儀適用于直徑大于 7 m，甚至高達 25 mm 的激光束，無需額外的光學元件。

• Beampro 緊湊型輪廓儀的厚度小于 15 mm，可在狹小空間內進行光束輪廓分析。

• BeamPro SWIR 輪廓儀可配備各種基于 InGaAs 的 SWIR 傳感器，用于測量 900 – 1700 nm 范圍內的激光束。

它們都配備了功能強大且用戶友好的軟件。

興京

Kokyo 的光束分析儀（由我們自己開發）支持您的激光束測量：

• 波長：190 nm – 16 μm

• 光束直徑：2 μm – 200 mm

• 最大激光強度：100 W/cm2

Kokyo 提供不同的套餐：

• 集成軟件、相機和光學系統的軟件包

• 軟件和相機套裝

• 僅限軟件（您可以使用自己的相機）

該軟件 （LaseView） 還提供 7 天的免費試用。

Gentec 電光

在表征 UV 到近紅外范圍內的激光束時，光束分析儀是解決方案。

得益于其高像素密度和大傳感器尺寸的組合，BEAMAGE 系列激光束診斷儀器具有雙重優勢，即準確表征僅幾十微米的極小光束和幾毫米寬的較大光束，從而在一個封裝中有效地涵蓋大多數應用。

這個簡單的軟件非常直觀，但包含許多強大的功能，對基本用戶或高級用戶都很有用。此外，該軟件所做的計算符合 ISO 標準，并為用戶提供最準確的光束表征，所有這些都在一個輕量級的環境中完成，不需要幾天就可以掌握。

CNI 激光器

CNI 根據不同的波長范圍和光斑大小提供各種光束分析儀：

• 可用于 190 nm 至 2100 nm 波長之間的設備

• 光束直徑從 1 μm 到 22.4 mm

• 最大功率高達 500 W

• 軟件界面顯示 2D 和 3D 能量分布以及激光束輪廓特征，例如光斑直徑、發散角和橢圓度

它廣泛用于科學研究和工業領域。

DataRay 數據

DataRay 提供激光光束輪廓儀，包括光束剖析相機、掃描狹縫光束輪廓儀和專用系統。

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