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光束分析仪（beam profiler、mode profiler）是一种分析激光束特性的诊断设备，它不仅可以测量激光束的整个光强分布，还可以测量激光束的特定形状。

光束分析仪有多种用途； 光束轮廓的定性印象有助于激光对准，同时测量沿光束轴的不同位置的光束半径（焦散）允许计算 M2 因子或光束参数乘积以定量表征光束质量。

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，其中基腔模式远小于增益介质中的泵浦区域。

使用适当的激光束诊断进行光束质量监测对于激光材料加工等许多激光应用非常重要； 例如，如果对光束质量进行监控，则可以更一致地实现钻孔质量。

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码相机。 对于可见光和近红外光谱区域，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 相机都可以达到 5 μm 量级的分辨率（由像素尺寸给定），因此光束半径可以小至 50 μm 甚至更小。 有效区域的大小可以达到几毫米，因此可以处理非常大的光束。

用于 M2 测量的激光光束分析仪，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域中波长高达约 1 或 1.1 μm 的不错选择，而基于 InGaAs 的检测器可用于高达 ≈1.7 μm 的波长。 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。 这些都很贵。 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。 对于紫外激光器，CCD 和 CMOS 阵列可以与紫外转换板一起使用，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，可以实现远低于 10µm 的像素尺寸，从而可以测量小至 50µm 的光束直径。 InGaAs 探测器具有更大的像素，例如 30μm 宽，而热释电阵列不会低于 100μm。 低空间分辨率的结果是光束尺寸必须保持较大，这也会导致较长的瑞利长度。 因此，完整的 M2 测量需要更多空间。 像素的数量也很重要； 较大的数字允许在较大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。

大多数相机对光都非常敏感——通常比需要的要多得多。 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（例如扩束器或缩束器来扩大允许的光束半径范围），以便相机记录光束轮廓，因为它出现在某个其他位置（成像平面）。 这也很好地阻挡了环境光。 然而，光学当然不应该引入太多的光学像差。

记录的光束轮廓可以与光束半径、光束位置、椭圆率和统计数据或高斯拟合等测量参数一起显示在计算机屏幕上。 该软件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、刀口或针孔的扫描光束分析仪

还有一些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，而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，传输功率与叶片位置的关系在本质上可以是微分的，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取的扫描和重建的光束轮廓。

扫描系统的空间分辨率可以高达几微米，甚至接近一个微米（尤其是扫描针孔或狭缝），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，因此可以很容易地使用不同波长区域的探测器。 此外，大的动态范围比例如照相机更容易获得。 可以处理的功率范围从微瓦到瓦。 由于所需的光学质量远低于相机系统，因此很容易实现检测器之前的光束衰减。

扫描光束分析仪，尤其是那些基于狭缝或刀刃的分析仪，最适合于离高斯分布不太远的光束轮廓，因为记录的信号通常在一个空间方向上集成，这种复杂（结构更高度优化）的光束形状不完美。

一些扫描光束分析仪也可用于脉冲激光束，例如来自 Q 开关激光器的激光束。 但是，这仅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。

需要注意的重要问题

在为特定应用选择光束质量分析仪时光纤光谱仪可以测单波长，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？ 要求的精度是多少？ 应使用什么光束半径定义？

· 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？

· 什么是光功率范围（通常取决于光束半径）？ 您需要具有大动态范围的设备，还是可以在较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（或笔记本电脑）是否最方便，例如通过 USB 2.0 电缆光纤光谱仪可以测单波长，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？ 比如需要直接显示哪些光束参数？ 该设备是否应该能够在很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？

· 设备是否需要处理功率随时间变化的光束，例如调Q激光器？

· 对于完整的光束质量表征：设备是否应该自动记录不同位置的光束轮廓并计算 M2 因子？

光束衰减

在许多情况下——尤其是对于基于相机的系统——激光束的功率在被发送到光束分析仪之前必须先被衰减。 一些系统在传输中使用光衰减器（例如楔形中性密度滤光片）； 也可以利用来自高质量玻璃板的微弱反射。

尽管衰减看起来像是一项微不足道的任务，但不正确的方法会导致许多问题。 一些例子是：

· 一些衰减器的光学质量不佳，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。

· 吸波滤光片尤其会破坏高功率水平下的光束质量，此时会发生热效应。

· 不建议将高反射介质镜的低残余透射率用于光束质量测量，因为残余透射率在很大程度上取决于镜面上的位置。

在布儒斯特角附近以 p 偏振工作的光学表面的弱反射通常是不合适的，因为这样的工作点对 s 偏振具有更高的反射率，因此可能只显示激光增益介质模式下的去偏振，而不是实际的光束质量。

· 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实现最佳功率水平。

便利方面也很重要。 例如，如果电子设备能够自动调整所需的衰减系数，将会很有帮助。

Femto Easy BeamPro 光束分析仪

Femto Easy 是一家专注于超快测量的公司，在高能超短脉冲的生产和表征方面拥有广泛的专业知识，为超快激光提供稳健可靠的测量设备，这些设备已在 . Femto Easy 提供各种尺寸的 BeamPro 光束质量分析仪。 而且非常易于使用、紧凑、便携和多功能，这使它们成为客户服务的理想工具。

BeamPro 紧凑型光束分析仪可以轻松集成到最复杂的环境中，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 的波长和最大 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 1英寸光束质量分析仪是一种特殊型号，具有最大的可用测量面积，传感器尺寸大，能够测量直径达25mm的光束。

· BeamPro SWIR光束质量分析仪基于InGaAs传感器，分辨率640 x 512，像素间距：15 µm，可测量900-1700nm范围内的光束。 它具有集成热电冷却功能，可提高低光应用中的灵敏度。

特征

· 强大友好的软件

· 紧凑的设计

· 多种波长范围选择

· 中性密度过滤器选项

C 接口（提供 CS 或 SM1 适配器）

· 提供定制传感器设计

· 没有窗口选项