测量光电(光束分析仪——对激光束进行整体光强分布测量的设备)

Posted 2023-05-31

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测量光电(光束分析仪——对激光束进行整体光强分布测量的设备)

光束分析仪（光束轮廓仪、模式轮廓仪）是一种用于激光束特性分析的诊断设备，它不仅可以测量激光束的整个光强分布，也可以测量激光束的具体形状。

光束轮廓仪的使用方式多种多样；光束轮廓的定性印象有助于激光对准，而在沿光束轴（焦散）的不同位置测量光束半径可以计算M2因子或光束参数乘积，从而定量表征光束质量。

高斯光束（左）和多模激光束（右）的强度分布。后者表现出更复杂的强度变化。这种多模光束可以在激光器中产生，其中基本谐振腔模式比增益介质中的泵浦区域小得多。

具有适当激光束诊断功能的光束质量监控对于许多激光应用（例如激光材料加工）非常重要；例如，如果监控光束质量，可以更一致地实现钻孔的质量。

基于相机的光束分析仪

许多光束分析仪都基于某种类型的数字化相机。对于可见光和近红外光谱区，CMOS和CCD相机是最常见的。CMOS器件较便宜，但CCD通常具有更好的线性度和更低的噪声。CCD和CMOS相机都可以实现5μm 数量级的分辨率（由像素大小给出），因此光束半径可以小至50μm甚至更小。有效区域的尺寸可能高达几毫米，因此可以处理非常大的光束。

用于M2测量的激光光束轮廓仪，由安装在电动平移台上的CCD相机组成。

不同的波长区域需要不同的传感器类型。硅基传感器是可见光和近红外光谱区波长高达约1或1.1μm的不错选择，而 InGaAs 基探测器可用于高达≈1.7μm。对于更长的波长，例如CO2激光器的光束特性，热释电和微测辐射热计红外相机是合适的。这些相当昂贵。考虑到此类激光器的高输出功率，它们相对较低的响应率可能不是缺点。用于紫外激光器、CCD和CMOS阵列可与UV转换板结合使用，将辐射转换为不会损坏阵列的更长波长。

相机传感器的空间分辨率是一个重要的量。使用硅传感器，像素尺寸远低于10μm 是可能的，允许测量低至50μm 的光束直径。InGaAs 探测器具有更大的像素，宽度例如为30μm，而热释电阵列不会远低于100μm。低空间分辨率的结果是光束尺寸必须保持较大，这也会导致瑞利长度较长。因此，完整的M 2测量需要更多空间。像素的数量也很重要；更大的数字允许在更大的范围内测量光束直径。

当与窄线宽激光辐射一起使用时，基于相机的系统对由高时间相干性引起的伪影特别敏感。需要仔细的光学设计（没有窗口，导致寄生反射）来抑制此类伪影和/或消除它们对测量数据的影响。

大多数相机对光非常敏感——通常比需要的要多得多。然后激光束必须在击中相机之前衰减。也可以使用一些成像光学器件（例如，用于扩大允许的光束半径范围的光束扩展器或光束缩小器），以便相机记录在某个其他位置（成像平面）出现的光束轮廓。这也可以很好地屏蔽环境光。然而，光学器件当然不应引入过多的光学像差。

记录的光束轮廓可以与测量参数一起显示在计算机屏幕上，例如光束半径、光束位置、椭圆率和统计信息，或高斯拟合。软件可以允许在确定光束半径的不同方法之间进行选择，例如 D4σ方法或简单的 1/e2标准。

基于狭缝、刀刃或针孔的扫描光束轮廓仪

也有光束分析仪可以扫描带有一个或多个针孔、狭缝或刀刃的光束轮廓。在任何情况下，一些结构化的机械部件（通常固定在旋转部件上）通过光束快速移动，同时用光电探测器和一些电子设备记录传输的功率。计算机（PC 或内置微处理器）用于根据测量数据重建光束轮廓并将其显示在屏幕上。例如，为了获得光束的一维强度分布，传输功率与刀刃位置的关系可以本质上是微分的，而移动狭缝直接提供强度分布。

扫描狭缝光束分析仪。PC 屏幕显示在两个方向上获得的扫描以及重建的光束轮廓。

扫描系统的空间分辨率可高达几微米，甚至接近单微米（特别是扫描针孔或狭缝），适用于小直径光束的表征。扫描概念的一个重要优点是所使用的光电探测器不需要具有空间分辨率，因此可以轻松使用用于非常不同波长区域的探测器。此外，与例如相机相比，更容易获得大的动态范围。可以处理的功率范围可以从微瓦到瓦。很容易实现检测器之前的光束衰减，因为所需的光学质量远低于相机系统。

扫描光束轮廓仪，特别是那些基于狭缝或刀刃的光束轮廓仪，最适用于离高斯分布不太远的光束轮廓，因为记录的信号通常是在一个空间方向上进行整合，这样复杂的（结构化程度更高）的重构) 光束形状并不完美。

一些扫描光束轮廓仪也可用于脉冲激光束，例如来自Q 开关激光器的那些。然而，这只适用于足够高的脉冲重复率；请注意，最小重复率可能取决于光束直径。

要观察的重要问题

在为特定应用选择光束分析仪时，需要评估各种要求：

· 要测量的光束半径或直径的范围是多少？所需的准确度是多少？应该使用什么样的光束半径定义？

· 所考虑的光束是否接近高斯，或者它们是否具有复杂的形状，例如出现在二极管条的输出中？

· 光功率范围是多少（通常取决于光束半径）？是否需要具有大动态范围的设备，或者是否可以在狭窄的光功率范围内工作？是否需要可调衰减器？

· 将设备连接到 PC（或膝上型计算机）是否最方便，例如通过 USB 2.0 电缆，或者设备是否应该有自己的电子设备来显示结果？

· 需要哪些软件功能？比如哪些光束参数需要直接显示？该设备是否应该能够在较宽的光束半径和功率范围内可靠地测量光束参数？是否需要数据记录功能？

· 该设备是否有必要处理功率随时间变化的光束，例如来自 Q 开关激光器的光束？

· 对于完整的光束质量表征：设备是否应自动记录不同位置的光束轮廓并计算M 2因子？

光束衰减

在许多情况下——特别是对于基于相机的系统——在将激光束发送到光束分析仪之前，必须首先衰减激光束的功率。一些系统在传输中使用光衰减器（例如楔形中性密度滤波器）；也可以利用例如来自高质量玻璃板的弱反射。

尽管衰减可能看起来是一项微不足道的任务，但不适当的方法可能会导致许多问题。一些例子是：

· 一些衰减器没有良好的光学质量，或者会通过基于表面反射的干涉效应破坏窄线宽光束的光束质量。

· 特别是吸收滤波器会在高功率水平下破坏光束质量，在那里会发生热效应。

· 不建议使用高反射介质镜的低剩余透射率进行光束质量测量，因为剩余透射率可能强烈依赖于反射镜上的位置。

· 在布儒斯特角附近用 p 偏振操作的光学表面的弱反射通常是不合适的，因为这样的操作点对 s 偏振具有更高的反射率，因此可能只显示激光增益介质中的去偏振模式，而不是实际光束质量。

· 由于某些方法仅以粗略且不可调整的步长提供衰减，因此可能难以在检测器中达到最佳功率水平。

便利性方面也可能很重要。例如，如果电子设备可以自动调整所需的衰减系数，则很有帮助。

Femto Easy BeamPro光束轮廓仪

Femto Easy是一家专门从事超快测量的公司，在高能超短脉冲的生产和表征方面拥有丰富的专业知识，为超快激光器提供稳健可靠的测量设备，这些设备已在多个最先进的实验室中使用。Femto Easy 提供各种不同规格的BeamPro 光束轮廓仪。且非常易于使用、紧凑、便携和多功能，这使它们成为客户服务的理想工具。

·BeamPro紧凑型光束轮廓仪可以轻松集成到大多数复杂环境中，可以通过网络从远程屏幕控制多个 BeamPro。它们适用于 190 至 1100 nm 的波长和大至 12 mm 的光束。还有用于聚焦光束测量的像素小至 1.67 μm 的高分辨率型号。

· BEAMPRO一英寸光束轮廓仪是具有最大可用测量区域的特殊型号，大尺寸传感器，能够测量直径达25mm的光束。

· BeamPro SWIR光束分析仪基于 InGaAs 传感器，分辨率 640 x 512，像素间距 : 15 µm，可以测量 900-1700nm范围内的光束。它具有集成的热电冷却功能，可提高低照度应用中的灵敏度。

产品特点

· 强大且友好的软件

· 紧凑的设计

· 多个波长范围选项

· 中性密度滤光片选项

· C接口（提供CS或SM1适配器）

· 提供定制传感器设计

· 无窗选项