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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(jìn)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(shí)際的激光應(yīng)用中，設(shè)計再好的諧振腔也無法準(zhǔn)確預(yù)測周圍環(huán)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(jìn)行檢測顯得尤為必要。

常見的測量方式有兩種，即相機(jī)式的光束分析儀和掃描式的光束分析儀。相機(jī)式光束分析儀通過二維光學(xué)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(xù)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(qiáng)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(yōu)劣，圖1為兩種光束分析儀的對比情況。

圖1 相機(jī)式光束分析儀

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光束直徑的定義

激光在與傳播方向垂直的平面內(nèi)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(jìn)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(qiáng)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(qiáng)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(fù)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(qiáng)度分布函數(shù)的二階矩來得到直徑，也就是我們常說的D4σ。對于標(biāo)準(zhǔn)的高斯光斑而言，二階矩和1/e^2得到的結(jié)果是一樣的。

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相機(jī)式光束分析儀光斑直徑測量

相機(jī)式的光束分析儀通過二維光學(xué)傳感器一次性測量整個光束能量分布，并且根據(jù)測得的數(shù)據(jù)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(xué)傳感器有CCD和CMOS等，當(dāng)激光照射到傳感器上時，強(qiáng)度分布會被記錄下來，并且以數(shù)字的顯示儲存在計算機(jī)之中，隨后使用專業(yè)的分析軟件構(gòu)建出強(qiáng)度分布圖像，并且根據(jù)相關(guān)公式計算所需要的參數(shù)。

圖3 光束分析儀軟件界面

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近場（NFP）模式和遠(yuǎn)場（FFP）模式測量

為了了解諸如半導(dǎo)體激光器和光纖等光電設(shè)備發(fā)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(yuǎn)（FFP）的位置的光斑。圖4是測量近場光斑和遠(yuǎn)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(jī)無法達(dá)到這么高的測量精度，可以使用下左圖的光學(xué)變焦系統(tǒng)。物鏡用于擴(kuò)大出射的光斑，并且通過光學(xué)系統(tǒng)成像在CCD上；而遠(yuǎn)場光斑則通過右圖所示的光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行測量，一般用于測量半導(dǎo)體激光器的發(fā)散角等。

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光束質(zhì)量的測量

激光束的匯聚特性會因?yàn)楣馐|(zhì)量而有所不同，這是激光加工領(lǐng)域中一個重要的參數(shù)，常用M2或者BPP來表示。通過聚焦透鏡的激光束根據(jù)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(shí)際使用的光斑無法達(dá)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(fā)散度。M2x和M2y為兩個軸的光束質(zhì)量，一般有以下三個特性。

M2不能小于1

當(dāng)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(fā)散角和束腰位置光斑直徑來計算，而這些參數(shù)可以通過將激光器出射的激光經(jīng)過透鏡聚焦之后計算出來，如圖6所示。采樣盡可能多的點(diǎn)能夠讓測量結(jié)果更加準(zhǔn)確，常見激光器的M2如表1所示。

圖6 M2測量系統(tǒng)示意圖

表1常見激光器光束質(zhì)量

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影響光束分析儀測量的參數(shù)

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(nèi)的參數(shù)都會對相機(jī)的性能產(chǎn)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(jié)將對光束分析儀的各個參數(shù)進(jìn)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(jī)圖像的像素數(shù)量，通常以寬度×高度的形式顯示，分辨率越高，現(xiàn)實(shí)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(guān)。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(xì)節(jié)和清晰度就越高。

6.4.響應(yīng)波長

響應(yīng)波長代表了傳感器能夠感應(yīng)的激光波長。常見的傳感器為硅基芯片，相應(yīng)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(dá)150nm-1605nm。

圖7 光束分析儀響應(yīng)波長

6.5.位深

位深指的是將色調(diào)從黑色變?yōu)榘咨牟襟E數(shù)量。8bit代表的是2的8次方，也就是256步，12bit則對應(yīng)了4096步。位深越高，意味著顏色漸變越細(xì)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(nèi)拼接的圖片數(shù)量。幀頻越高，看到的視頻越流暢。

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Cinogy光束分析儀

來自德國的著名光束分析儀生產(chǎn)商Cinogy所生產(chǎn)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(shí)驗(yàn)室均有廣泛的應(yīng)用。Cinogy提供不同規(guī)格的光束分析儀，小巧緊湊、功能強(qiáng)大且便于使用，這樣其成為檢測光斑的絕佳選擇。

產(chǎn)品特點(diǎn)：

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(qiáng)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(fā)

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(qū)的獨(dú)家代理商，為您提供專業(yè)的選型以及技術(shù)服務(wù)。