Cinogy光束分析仪-为激光束做一次全面的“体检”

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什么是光束分析仪？

光束分析仪（光斑分析仪、光束轮廓仪）可以用于对激光束的特性进行诊断分析，其不仅可以测量光斑的能量分布，也可以测量激光束的具体形状。在实际的激光应用中，设计再好的谐振腔也无法准确预测周围环境（比如温度、振动等）对光束特性的影响，因此在使用过程中，使用光束分析仪对光斑进行检测显得尤为必要。

常见的测量方式有两种，即相机式的光束分析仪和扫描式的光束分析仪。相机式光束分析仪通过二维光学传感器一次性测量整个光束，可以高效地测量光斑，同时也可以测量连续光和脉冲光。而扫描式光束分析仪则是通过单个光电探测器一次测量激光的强度，再通过拟合计算出光斑能量分布。两种光束分析仪各有优劣，图1为两种光束分析仪的对比情况。

	优点	缺点
相机式光束分析仪	测量时间短 可测量脉冲激光 可以测量能量分布复杂的激光	价格较贵且无法测量小尺寸光斑（昊量光电代理的Cinogy的光束分析仪能够以较低的价格测量小尺寸光斑）
扫描式光束分析仪	容易测量光斑尺寸较小的光斑	测量时间长 无法测量脉冲激光 无法测量能量分布复杂的激光

图1 相机式光束分析仪

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光束直径的定义

激光在与传播方向垂直的平面内具有能量分布，但是能量的分布没有明确的边界，所以必须对光束直径进行定义才能够测出这个值。在不同的情况下光束直径有不同的定义，对于常见的高斯光而言，我们一般采用能量的1/e^2来定义，具体公式如式1所示。图2(a)显示了高斯光束的轮廓图和强度分布图，光束直径为w。

除了1/e^1的定义之外，通常还会使用半峰全宽这一定义，如图2(b)所示，即强度最大值的50%位置，此时功率占比约为76%。

值得注意的是上述定义仅适用于对称的波束，如果激光束的能量分布是非对称复杂模式，则一般使用ISO-11146中的定义来计算光斑直径，即利用光斑能量信息计算强度分布函数的二阶矩来得到直径，也就是我们常说的D4σ。对于标准的高斯光斑而言，二阶矩和1/e^2得到的结果是一样的。

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相机式光束分析仪光斑直径测量

相机式的光束分析仪通过二维光学传感器一次性测量整个光束能量分布，并且根据测得的数据来分析计算出光束的直径、形状以及M2值等。常见的二维光学传感器有CCD和CMOS等，当激光照射到传感器上时，强度分布会被记录下来，并且以数字的显示储存在计算机之中，随后使用专业的分析软件构建出强度分布图像，并且根据相关公式计算所需要的参数。

图3 光束分析仪软件界面

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近场（NFP）模式和远场（FFP）模式测量

为了了解诸如半导体激光器和光纤等光电设备发出的光束特性，有必要测量其输出端附近（NFP）或原理输出端足够远（FFP）的位置的光斑。图4是测量近场光斑和远场光斑的原理。

近场光斑的尺寸一般在微米量级，常见的相机无法达到这么高的测量精度，可以使用下左图的光学变焦系统。物镜用于扩大出射的光斑，并且通过光学系统成像在CCD上；而远场光斑则通过右图所示的光学系统进行测量，一般用于测量半导体激光器的发散角等。

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光束质量的测量

激光束的汇聚特性会因为光束质量而有所不同，这是激光加工领域中一个重要的参数，常用M2或者BPP来表示。通过聚焦透镜的激光束根据衍射极限会存在一个理论最小光斑直径，此时激光被称为理想高斯光斑，M2为1。但实际使用的光斑无法达到理想高斯光斑，所以M2均大于1。

激光束在传播过程中光斑直径会逐渐变大，如图5所示。在光束中心附件沿x和y方向的光束半径wx和wy可分别用式（2）表示。

其中，wox，woy，zox，zoy，θox,θoy分别是光束束腰位置的光斑直径、光斑位置和光束发散度。M2x和M2y为两个轴的光束质量，一般有以下三个特性。

M2不能小于1

当M2=1时，激光为单模理想高斯光斑

M2的值表明了光束聚焦之后的束腰直径是衍射极限的多少倍

M2的定义如式（3）所示：

图5 中心对称高斯光束束腰示意图

所以，M2可以通过测量激光发散角和束腰位置光斑直径来计算，而这些参数可以通过将激光器出射的激光经过透镜聚焦之后计算出来，如图6所示。采样尽可能多的点能够让测量结果更加准确，常见激光器的M2如表1所示。

图6 M2测量系统示意图

表1常见激光器光束质量

光源	M2
氦氖激光器	<1.1
离子激光器	1.1~1.3
半导体激光器（单模）	1.3~1.7
高功率多模激光器	3~4

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影响光束分析仪测量的参数

对于一台光束分析仪而言，其包括分辨率、像素大小、靶面尺寸以及位深等在内的参数都会对相机的性能产生影响，所以在选择特定的光束分析仪时，需要综合评估各种需求。本节将对光束分析仪的各个参数进行介绍。

6.1.有效面积

有效面积是二维感光传感器的尺寸，尺寸越大，用于接收光的面积也越大，意味着可以检测更大的光斑

6.2.分辨率

分辨率指的是相机图像的像素数量，通常以宽度×高度的形式显示，分辨率越高，现实的图像越清晰。

6.3.像素尺寸

像素尺寸指的是图像中的最小单位，与有效面积以及像素有关。在有效面积一定的情况下，分辨率越高，像素尺寸就越小，图像的细节和清晰度就越高。

6.4.响应波长

响应波长代表了传感器能够感应的激光波长。常见的传感器为硅基芯片，相应波长一般在350nm-1310nm之间，而来自Cinogy的光束分析仪可以检测更宽波段的激光，可达150nm-1605nm。

图7 光束分析仪响应波长

6.5.位深

位深指的是将色调从黑色变为白色的步骤数量。8bit代表的是2的8次方，也就是256步，12bit则对应了4096步。位深越高，意味着颜色渐变越细腻。

6.6.帧频

视频是由一帧一帧的图片拼接而成的，帧频指的是一秒内拼接的图片数量。帧频越高，看到的视频越流畅。

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Cinogy光束分析仪

来自德国的著名光束分析仪生产商Cinogy所生产的CinCam系列光束分析仪拥有卓越的性能，在全国各大激光厂家以及高校实验室均有广泛的应用。Cinogy提供不同规格的光束分析仪，小巧紧凑、功能强大且便于使用，这样其成为检测光斑的绝佳选择。

产品特点：

针对不同的客户需求提供不同价位版本的软件，减少客户的沉没成本

功能强大且用户友好的软件

尺寸小巧，便于集成

支持多语言二次开发

分辨率高，具有小光斑和大口径多种选择

上海昊量光电作为Cinogy在中国大陆地区的独家代理商，为您提供专业的选型以及技术服务。