光束分析儀（光束輪廓儀、模式輪廓儀）是一種用于激光束特性分析的診斷設(shè)備，它不僅可以測量激光束的整個光強(qiáng)分布，也可以測量激光束的具體形狀。

光束輪廓儀的使用方式多種多樣；光束輪廓的定性印象有助于激光對準(zhǔn)，而在沿光束軸（焦散）的不同位置測量光束半徑可以計(jì)算M2因子或光束參數(shù)乘積，從而定量表征光束質(zhì)量。

高斯光束（左）和多模激光束（右）的強(qiáng)度分布。后者表現(xiàn)出更復(fù)雜的強(qiáng)度變化。這種多模光束可以在激光器中產(chǎn)生，其中基本諧振腔模式比增益介質(zhì)中的泵浦區(qū)域小得多。

具有適當(dāng)激光束診斷功能的光束質(zhì)量監(jiān)控對于許多激光應(yīng)用（例如激光材料加工）非常重要；例如，如果監(jiān)控光束質(zhì)量，可以更一致地實(shí)現(xiàn)鉆孔的質(zhì)量。

基于相機(jī)的光束分析儀

許多光束分析儀都基于某種類型的數(shù)字化相機(jī)。對于可見光和近紅外光譜區(qū)，CMOS和CCD相機(jī)是最常見的。CMOS器件較便宜，但CCD通常具有更好的線性度和更低的噪聲。CCD和CMOS相機(jī)都可以實(shí)現(xiàn)5μm 數(shù)量級的分辨率（由像素大小給出），因此光束半徑可以小至50μm甚至更小。有效區(qū)域的尺寸可能高達(dá)幾毫米，因此可以處理非常大的光束。

用于M2測量的激光光束輪廓儀，由安裝在電動平移臺上的CCD相機(jī)組成。

不同的波長區(qū)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(qū)波長高達(dá)約1或1.1μm的不錯選擇，而 InGaAs 基探測器可用于高達(dá)≈1.7μm。對于更長的波長，例如CO2激光器的光束特性，熱釋電和微測輻射熱計(jì)紅外相機(jī)是合適的。這些相當(dāng)昂貴?？紤]到此類激光器的高輸出功率，它們相對較低的響應(yīng)率可能不是缺點(diǎn)。用于紫外激光器、CCD和CMOS陣列可與UV轉(zhuǎn)換板結(jié)合使用，將輻射轉(zhuǎn)換為不會損壞陣列的更長波長。

相機(jī)傳感器的空間分辨率是一個重要的量。使用硅傳感器，像素尺寸遠(yuǎn)低于10μm 是可能的，允許測量低至50μm 的光束直徑。InGaAs 探測器具有更大的像素，寬度例如為30μm，而熱釋電陣列不會遠(yuǎn)低于100μm。低空間分辨率的結(jié)果是光束尺寸必須保持較大，這也會導(dǎo)致瑞利長度較長。因此，完整的M 2測量需要更多空間。像素的數(shù)量也很重要；更大的數(shù)字允許在更大的范圍內(nèi)測量光束直徑。

當(dāng)與窄線寬激光輻射一起使用時，基于相機(jī)的系統(tǒng)對由高時間相干性引起的偽影特別敏感。需要仔細(xì)的光學(xué)設(shè)計(jì)（沒有窗口，導(dǎo)致寄生反射）來抑制此類偽影和/或消除它們對測量數(shù)據(jù)的影響。

大多數(shù)相機(jī)對光非常敏感——通常比需要的要多得多。然后激光束必須在擊中相機(jī)之前衰減。也可以使用一些成像光學(xué)器件（例如，用于擴(kuò)大允許的光束半徑范圍的光束擴(kuò)展器或光束縮小器），以便相機(jī)記錄在某個其他位置（成像平面）出現(xiàn)的光束輪廓。這也可以很好地屏蔽環(huán)境光。然而，光學(xué)器件當(dāng)然不應(yīng)引入過多的光學(xué)像差。

記錄的光束輪廓可以與測量參數(shù)一起顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上，例如光束半徑、光束位置、橢圓率和統(tǒng)計(jì)信息，或高斯擬合。軟件可以允許在確定光束半徑的不同方法之間進(jìn)行選擇，例如 D4σ方法或簡單的 1/e2標(biāo)準(zhǔn)。

基于狹縫、刀刃或針孔的掃描光束輪廓儀

也有光束分析儀可以掃描帶有一個或多個針孔、狹縫或刀刃的光束輪廓。在任何情況下，一些結(jié)構(gòu)化的機(jī)械部件（通常固定在旋轉(zhuǎn)部件上）通過光束快速移動，同時用光電探測器和一些電子設(shè)備記錄傳輸?shù)墓β?。?jì)算機(jī)（PC 或內(nèi)置微處理器）用于根據(jù)測量數(shù)據(jù)重建光束輪廓并將其顯示在屏幕上。例如，為了獲得光束的一維強(qiáng)度分布，傳輸功率與刀刃位置的關(guān)系可以本質(zhì)上是微分的，而移動狹縫直接提供強(qiáng)度分布。

掃描狹縫光束分析儀。PC 屏幕顯示在兩個方向上獲得的掃描以及重建的光束輪廓。

掃描系統(tǒng)的空間分辨率可高達(dá)幾微米，甚至接近單微米（特別是掃描針孔或狹縫），適用于小直徑光束的表征。掃描概念的一個重要優(yōu)點(diǎn)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(qū)域的探測器。此外，與例如相機(jī)相比，更容易獲得大的動態(tài)范圍?？梢蕴幚淼墓β史秶梢詮奈⑼叩酵?。很容易實(shí)現(xiàn)檢測器之前的光束衰減，因?yàn)樗璧墓鈱W(xué)質(zhì)量遠(yuǎn)低于相機(jī)系統(tǒng)。

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，最適用于離高斯分布不太遠(yuǎn)的光束輪廓，因?yàn)橛涗浀男盘柾ǔＪ窃谝粋€空間方向上進(jìn)行整合，這樣復(fù)雜的（結(jié)構(gòu)化程度更高）的重構(gòu)) 光束形狀并不完美。

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(guān)激光器的那些。然而，這只適用于足夠高的脈沖重復(fù)率；請注意，最小重復(fù)率可能取決于光束直徑。

要觀察的重要問題

在為特定應(yīng)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？所需的準(zhǔn)確度是多少？應(yīng)該使用什么樣的光束半徑定義？

• 所考慮的光束是否接近高斯，或者它們是否具有復(fù)雜的形狀，例如出現(xiàn)在二極管條的輸出中？

• 光功率范圍是多少（通常取決于光束半徑）？是否需要具有大動態(tài)范圍的設(shè)備，或者是否可以在狹窄的光功率范圍內(nèi)工作？是否需要可調(diào)衰減器？

• 將設(shè)備連接到 PC（或膝上型計(jì)算機(jī)）是否最方便，例如通過 USB 2.0 電纜，或者設(shè)備是否應(yīng)該有自己的電子設(shè)備來顯示結(jié)果？

• 需要哪些軟件功能？比如哪些光束參數(shù)需要直接顯示？該設(shè)備是否應(yīng)該能夠在較寬的光束半徑和功率范圍內(nèi)可靠地測量光束參數(shù)？是否需要數(shù)據(jù)記錄功能？

• 該設(shè)備是否有必要處理功率隨時間變化的光束，例如來自 Q 開關(guān)激光器的光束？

• 對于完整的光束質(zhì)量表征：設(shè)備是否應(yīng)自動記錄不同位置的光束輪廓并計(jì)算M 2因子？

光束衰減

在許多情況下——特別是對于基于相機(jī)的系統(tǒng)——在將激光束發(fā)送到光束分析儀之前，必須首先衰減激光束的功率。一些系統(tǒng)在傳輸中使用光衰減器（例如楔形中性密度濾波器）；也可以利用例如來自高質(zhì)量玻璃板的弱反射。

盡管衰減可能看起來是一項(xiàng)微不足道的任務(wù)，但不適當(dāng)?shù)姆椒赡軙?dǎo)致許多問題。一些例子是：

• 一些衰減器沒有良好的光學(xué)質(zhì)量，或者會通過基于表面反射的干涉效應(yīng)破壞窄線寬光束的光束質(zhì)量。

• 特別是吸收濾波器會在高功率水平下破壞光束質(zhì)量，在那里會發(fā)生熱效應(yīng)。

• 不建議使用高反射介質(zhì)鏡的低剩余透射率進(jìn)行光束質(zhì)量測量，因?yàn)槭Ｓ嗤干渎士赡軓?qiáng)烈依賴于反射鏡上的位置。

• 在布儒斯特角附近用 p 偏振操作的光學(xué)表面的弱反射通常是不合適的，因?yàn)檫@樣的操作點(diǎn)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(zhì)中的去偏振模式，而不是實(shí)際光束質(zhì)量。

• 由于某些方法僅以粗略且不可調(diào)整的步長提供衰減，因此可能難以在檢測器中達(dá)到最佳功率水平。

便利性方面也可能很重要。例如，如果電子設(shè)備可以自動調(diào)整所需的衰減系數(shù)，則很有幫助。

Femto Easy BeamPro光束輪廓儀

Femto Easy是一家專門從事超快測量的公司，在高能超短脈沖的生產(chǎn)和表征方面擁有豐富的專業(yè)知識，為超快激光器提供穩(wěn)健可靠的測量設(shè)備，這些設(shè)備已在多個最先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)室中使用。Femto Easy 提供各種不同規(guī)格的BeamPro 光束輪廓儀。且非常易于使用、緊湊、便攜和多功能，這使它們成為客戶服務(wù)的理想工具。

• BeamPro緊湊型光束輪廓儀可以輕松集成到大多數(shù)復(fù)雜環(huán)境中，可以通過網(wǎng)絡(luò)從遠(yuǎn)程屏幕控制多個 BeamPro。它們適用于 190 至 1100 nm 的波長和大至 12 mm 的光束。還有用于聚焦光束測量的像素小至 1.67 μm 的高分辨率型號。

• BEAMPRO一英寸光束輪廓儀是具有最大可用測量區(qū)域的特殊型號，大尺寸傳感器，能夠測量直徑達(dá)25mm的光束。

• BeamPro SWIR光束分析儀基于 InGaAs 傳感器，分辨率 640 x 512，像素間距 : 15 μm，可以測量 900-1700nm范圍內(nèi)的光束。它具有集成的熱電冷卻功能，可提高低照度應(yīng)用中的靈敏度。

產(chǎn)品特點(diǎn)

• 強(qiáng)大且友好的軟件

• 緊湊的設(shè)計(jì)

• 多個波長范圍選項(xiàng)

• 中性密度濾光片選項(xiàng)

• C接口（提供CS或SM1適配器）

• 提供定制傳感器設(shè)計(jì)

• 無窗選項(xiàng)