1

什么是光束分析儀？

光束分析儀（光斑分析儀、光束輪廓儀）可以用于對激光束的特性進行診斷分析，其不僅可以測量光斑的能量分布，也可以測量激光束的具體形狀。在實際的激光應用中，設計再好的諧振腔也無法準確預測周圍環境（比如溫度、振動等）對光束特性的影響，因此在使用過程中，使用光束分析儀對光斑進行檢測顯得尤為必要。

常見的測量方式有兩種，即相機式的光束分析儀和掃描式的光束分析儀。相機式光束分析儀通過二維光學傳感器一次性測量整個光束，可以高效地測量光斑，同時也可以測量連續光和脈沖光。而掃描式光束分析儀則是通過單個光電探測器一次測量激光的強度，再通過擬合計算出光斑能量分布。兩種光束分析儀各有優劣，圖1為兩種光束分析儀的對比情況。

圖1 相機式光束分析儀

2

光束直徑的定義

激光在與傳播方向垂直的平面內具有能量分布，但是能量的分布沒有明確的邊界，所以必須對光束直徑進行定義才能夠測出這個值。在不同的情況下光束直徑有不同的定義，對于常見的高斯光而言，我們一般采用能量的1/e^2來定義，具體公式如式1所示。圖2(a)顯示了高斯光束的輪廓圖和強度分布圖，光束直徑為w。

除了1/e^1的定義之外，通常還會使用半峰全寬這一定義，如圖2(b)所示，即強度最大值的50%位置，此時功率占比約為76%。

值得注意的是上述定義僅適用于對稱的波束，如果激光束的能量分布是非對稱復雜模式，則一般使用ISO-11146中的定義來計算光斑直徑，即利用光斑能量信息計算強度分布函數的二階矩來得到直徑，也就是我們常說的D4σ。對于標準的高斯光斑而言，二階矩和1/e^2得到的結果是一樣的。

3

相機式光束分析儀光斑直徑測量

相機式的光束分析儀通過二維光學傳感器一次性測量整個光束能量分布，并且根據測得的數據來分析計算出光束的直徑、形狀以及M2值等。常見的二維光學傳感器有CCD和CMOS等，當激光照射到傳感器上時，強度分布會被記錄下來，并且以數字的顯示儲存在計算機之中，隨后使用專業的分析軟件構建出強度分布圖像，并且根據相關公式計算所需要的參數。

圖3 光束分析儀軟件界面

4

近場（NFP）模式和遠場（FFP）模式測量

為了了解諸如半導體激光器和光纖等光電設備發出的光束特性，有必要測量其輸出端附近（NFP）或原理輸出端足夠遠（FFP）的位置的光斑。圖4是測量近場光斑和遠場光斑的原理。

近場光斑的尺寸一般在微米量級，常見的相機無法達到這么高的測量精度，可以使用下左圖的光學變焦系統。物鏡用于擴大出射的光斑，并且通過光學系統成像在CCD上；而遠場光斑則通過右圖所示的光學系統進行測量，一般用于測量半導體激光器的發散角等。

5

光束質量的測量

激光束的匯聚特性會因為光束質量而有所不同，這是激光加工領域中一個重要的參數，常用M2或者BPP來表示。通過聚焦透鏡的激光束根據衍射極限會存在一個理論最小光斑直徑，此時激光被稱為理想高斯光斑，M2為1。但實際使用的光斑無法達到理想高斯光斑，所以M2均大于1。

激光束在傳播過程中光斑直徑會逐漸變大，如圖5所示。在光束中心附件沿x和y方向的光束半徑wx和wy可分別用式（2）表示。

其中，wox，woy，zox，zoy，θox,θoy分別是光束束腰位置的光斑直徑、光斑位置和光束發散度。M2x和M2y為兩個軸的光束質量，一般有以下三個特性。

M2不能小于1

當M2=1時，激光為單模理想高斯光斑

M2的值表明了光束聚焦之后的束腰直徑是衍射極限的多少倍

M2的定義如式（3）所示：

圖5 中心對稱高斯光束束腰示意圖

所以，M2可以通過測量激光發散角和束腰位置光斑直徑來計算，而這些參數可以通過將激光器出射的激光經過透鏡聚焦之后計算出來，如圖6所示。采樣盡可能多的點能夠讓測量結果更加準確，常見激光器的M2如表1所示。

圖6 M2測量系統示意圖

表1常見激光器光束質量

6

影響光束分析儀測量的參數

對于一臺光束分析儀而言，其包括分辨率、像素大小、靶面尺寸以及位深等在內的參數都會對相機的性能產生影響，所以在選擇特定的光束分析儀時，需要綜合評估各種需求。本節將對光束分析儀的各個參數進行介紹。

6.1.有效面積

有效面積是二維感光傳感器的尺寸，尺寸越大，用于接收光的面積也越大，意味著可以檢測更大的光斑

6.2.分辨率

分辨率指的是相機圖像的像素數量，通常以寬度×高度的形式顯示，分辨率越高，現實的圖像越清晰。

6.3.像素尺寸

像素尺寸指的是圖像中的最小單位，與有效面積以及像素有關。在有效面積一定的情況下，分辨率越高，像素尺寸就越小，圖像的細節和清晰度就越高。

6.4.響應波長

響應波長代表了傳感器能夠感應的激光波長。常見的傳感器為硅基芯片，相應波長一般在350nm-1310nm之間，而來自Cinogy的光束分析儀可以檢測更寬波段的激光，可達150nm-1605nm。

圖7 光束分析儀響應波長

6.5.位深

位深指的是將色調從黑色變為白色的步驟數量。8bit代表的是2的8次方，也就是256步，12bit則對應了4096步。位深越高，意味著顏色漸變越細膩。

6.6.幀頻

視頻是由一幀一幀的圖片拼接而成的，幀頻指的是一秒內拼接的圖片數量。幀頻越高，看到的視頻越流暢。

7

Cinogy光束分析儀

來自德國的著名光束分析儀生產商Cinogy所生產的CinCam系列光束分析儀擁有卓越的性能，在全國各大激光廠家以及高校實驗室均有廣泛的應用。Cinogy提供不同規格的光束分析儀，小巧緊湊、功能強大且便于使用，這樣其成為檢測光斑的絕佳選擇。

產品特點：

針對不同的客戶需求提供不同價位版本的軟件，減少客戶的沉沒成本

功能強大且用戶友好的軟件

尺寸小巧，便于集成

支持多語言二次開發

分辨率高，具有小光斑和大口徑多種選擇

上海昊量光電作為Cinogy在中國大陸地區的獨家代理商，為您提供專業的選型以及技術服務。