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(shè)備，它可以測(cè)量激光束的整個(gè)光學(xué)強(qiáng)度分布，即不僅是光束半徑，還包括詳細(xì)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(duì)準(zhǔn)，而沿光束軸不同位置的光束半徑（焦散）的測(cè)量允許計(jì)算M2因素或光束參數(shù)積，定量表征光束質(zhì)量。
圖 1：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，其中基本諧振器模式明顯小于增益介質(zhì)中的泵浦區(qū)域。
使用適當(dāng)?shù)募す馐\斷進(jìn)行光束質(zhì)量監(jiān)測(cè)對(duì)于許多激光應(yīng)用（例如激光材料加工）都非常重要;例如，如果監(jiān)控光束質(zhì)量，則可以更一致地實(shí)現(xiàn)鉆孔的質(zhì)量。
基于相機(jī)的光束輪廓儀
許多光束輪廓儀都基于某種類型的數(shù)碼相機(jī)。對(duì)于可見(jiàn)光和近紅外光譜區(qū)域，CMOS 和 CCD 相機(jī)是最常見(jiàn)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(jī)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(qū)域的尺寸可達(dá)幾毫米，因此可以處理非常大的光束。
不同的波長(zhǎng)區(qū)域需要不同的傳感器類型。硅基傳感器是可見(jiàn)光和近紅外光譜區(qū)域波長(zhǎng)高達(dá) 1 或 1.1 μm 的不錯(cuò)選擇，而基于 InGaAs 的探測(cè)器可以使用高達(dá) 1.7 μm ≈。對(duì)于更長(zhǎng)的波長(zhǎng)，例如用于CO2激光器、熱釋電和微測(cè)輻射熱計(jì)紅外熱像儀都是合適的。這些相當(dāng)昂貴。鑒于此類激光器的高輸出功率，它們相對(duì)較低的響應(yīng)度可能不是缺點(diǎn)。對(duì)于紫外激光器，CCD 和 CMOS 陣列可以與紫外轉(zhuǎn)換板結(jié)合使用，將輻射轉(zhuǎn)換為更長(zhǎng)的波長(zhǎng)，而不會(huì)損壞陣列。
圖 2：一種用于 M 的激光光束輪廓儀2測(cè)量，由安裝在電動(dòng)平移臺(tái)上的 CCD 相機(jī)組成。
相機(jī)傳感器的空間分辨率是一個(gè)重要的量。使用硅傳感器，像素尺寸可能遠(yuǎn)低于 10 μm，從而可以測(cè)量低至 50 μm 的光束直徑。InGaAs 探測(cè)器的像素要大得多，寬度為 30 μm，而熱釋電陣列的像素不會(huì)低于 100 μm。低空間分辨率的結(jié)果是必須保持較大的光束尺寸，這也會(huì)導(dǎo)致瑞利長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)。因此，完整的 M 需要更多的空間2測(cè)量。像素的數(shù)量也具有實(shí)際意義;較大的數(shù)字允許在更大的范圍內(nèi)測(cè)量光束直徑。
當(dāng)與窄線寬激光輻射一起使用時(shí)，基于相機(jī)的系統(tǒng)對(duì)高時(shí)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(méi)有窗口，導(dǎo)致寄生反射）來(lái)抑制此類偽影和/或消除它們對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的影響。
大多數(shù)相機(jī)對(duì)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(jī)之前，必須對(duì)激光束進(jìn)行衰減（見(jiàn)下文）。也可以使用一些成像光學(xué)元件（例如用于擴(kuò)大允許光束半徑范圍的擴(kuò)束器或減束器），以便相機(jī)記錄在其他位置（成像平面）出現(xiàn)的光束輪廓。這也允許對(duì)環(huán)境光進(jìn)行良好的屏蔽。但是，光學(xué)元件當(dāng)然不應(yīng)引入過(guò)多的光學(xué)像差。
記錄的光束輪廓可以顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上，可能與測(cè)量參數(shù)一起顯示，例如光束半徑、光束位置、橢圓度和統(tǒng)計(jì)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(jìn)行選擇，例如 D4σ 方法或簡(jiǎn)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
還有一些光束輪廓儀，可以掃描帶有一個(gè)或多個(gè)針孔、狹縫或刀口的光束輪廓。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）都會(huì)快速通過(guò)光束移動(dòng)，而傳輸?shù)墓β蕜t通過(guò)光電探測(cè)器和一些電子設(shè)備進(jìn)行記錄。計(jì)算機(jī)（PC 或內(nèi)置微處理器）用于從測(cè)量數(shù)據(jù)中重建光束輪廓并將其顯示在屏幕上。例如，傳輸?shù)墓β逝c刀口的位置基本上可以進(jìn)行區(qū)分，以獲得光束的一維強(qiáng)度分布，而移動(dòng)狹縫直接提供強(qiáng)度分布。
掃描系統(tǒng)的空間分辨率可以高達(dá)幾微米，甚至接近一微米（特別是對(duì)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(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是所使用的光電探測(cè)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(zhǎng)區(qū)域的探測(cè)器。此外，與相機(jī)相比，它更容易獲得較大的動(dòng)態(tài)范圍?？梢蕴幚淼墓β史秶鷱奈⑼叩酵咛夭坏?。在探測(cè)器之前很容易實(shí)現(xiàn)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，與高斯相差不遠(yuǎn)的光束輪廓，因?yàn)橛涗浀男盘?hào)通常在一個(gè)空間方向上積分，因此復(fù)雜（更結(jié)構(gòu)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(lái)自 Q 開(kāi)關(guān)激光器的激光束。但是，這僅適用于足夠高的脈沖重復(fù)率;請(qǐng)注意，最小重復(fù)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(gè)方向獲得的掃描以及重建的光束輪廓。
需要注意的重要問(wèn)題
在為特定應(yīng)用選擇光束分析儀時(shí)，需要評(píng)估各種要求：
要測(cè)量的光束半徑或直徑的范圍是多少？所需的精度是多少？應(yīng)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(fù)雜的形狀，例如，在二極管棒的輸出中出現(xiàn)？
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(dòng)態(tài)范圍的設(shè)備，或者是否可以在較窄的光功率范圍內(nèi)工作？是否需要可調(diào)節(jié)的衰減器？
將設(shè)備連接到 PC（或筆記本電腦），例如通過(guò) 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(lái)顯示結(jié)果？
需要哪些軟件功能？例如，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(cè)量光束參數(shù)？是否需要數(shù)據(jù)記錄功能？
該設(shè)備是否必須能夠處理具有時(shí)間變化功率的光束，例如來(lái)自 Q 開(kāi)關(guān)激光器的光束？
對(duì)于完整的光束質(zhì)量表征：設(shè)備是否應(yīng)該自動(dòng)記錄不同位置的光束輪廓并計(jì)算M2因素?
光束衰減
在許多情況下，特別是對(duì)于基于相機(jī)的系統(tǒng)，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(tǒng)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(lái)自高質(zhì)量玻璃板的反射。
盡管衰減可能看起來(lái)是一項(xiàng)微不足道的任務(wù)，但不適當(dāng)?shù)姆椒赡軙?huì)導(dǎo)致許多問(wèn)題。一些示例包括：
一些衰減器沒(méi)有很好的光學(xué)質(zhì)量，或者會(huì)通過(guò)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。
特別吸收的濾光片會(huì)破壞高功率水平下的光束質(zhì)量，因?yàn)榇藭r(shí)會(huì)出現(xiàn)熱效應(yīng)（熱透鏡效應(yīng)）。
不建議使用高反射介電鏡的低殘余透射率進(jìn)行光束質(zhì)量測(cè)量，因?yàn)闅堄嗤干渎试诤艽蟪潭壬先Q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(xué)表面的微弱反射通常不合適，因?yàn)檫@樣的操作點(diǎn)對(duì) 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)的步長(zhǎng)提供衰減，因此可能很難在探測(cè)器中達(dá)到最佳功率水平。
便利性的各個(gè)方面也可能很重要。例如，如果電子設(shè)備可以自動(dòng)調(diào)整所需的衰減系數(shù)，這將很有幫助。
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BeamPro 大面積輪廓儀適用于直徑大于 7 m，甚至高達(dá) 25 mm 的激光束，無(wú)需額外的光學(xué)元件。
Beampro 緊湊型輪廓儀的厚度小于 15 mm，可在狹小空間內(nèi)進(jìn)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(cè)量 900 – 1700 nm 范圍內(nèi)的激光束。
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光束直徑從 1 μm 到 22.4 mm
最大功率高達(dá) 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(fā)散角和橢圓度
它廣泛用于科學(xué)研究和工業(yè)領(lǐng)域。
DataRay 提供激光光束輪廓儀，包括光束剖析相機(jī)、掃描狹縫光束輪廓儀和專用系統(tǒng)。
2020-10-19
如何分析從光纖 UPC 或 APC 拋光套圈發(fā)出的單模激光束（直徑 8 μm）？我需要從源頭到 200 μm 的距離進(jìn)行調(diào)查。我性能不佳的套圈在表面干涉儀調(diào)查下顯得無(wú)缺。
回答：
對(duì)于如此小的光束，您可能需要一個(gè)具有足夠高分辨率的基于相機(jī)的分析器。這可能非常棘手，特別是如果您還需要衰減光束 - 您沒(méi)有空間插入衰減器。但也許您可以在源頭上衰減。
另一種方法是準(zhǔn)直光束，使用一個(gè)好的透鏡，這樣你就可以方便地使用標(biāo)準(zhǔn)光束輪廓儀分析光束。這樣，您就可以了解光束質(zhì)量，盡管如果不確切知道透鏡相對(duì)于光纖的位置以及它對(duì)光束的確切作用，就很難獲得準(zhǔn)確的光束參數(shù)。