光束分析仪(光束分析仪、模式分析仪)是一种用于激光束表征的诊断设备,它可以测量激光束的整个光学强度分布,即不仅是光束半径,还包括详细形状。
光束轮廓仪的使用方式多种多样;光束轮廓的定性印模有助于激光的对准,而沿光束轴不同位置的光束半径(焦散)的测量允许计算M2因素或光束参数积,定量表征光束质量。
图 1: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,其中基本谐振器模式明显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许多激光应用(例如激光材料加工)都非常重要;例如,如果监控光束质量,则可以更一致地实现钻孔的质量。
基于相机的光束轮廓仪
许多光束轮廓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 器件更便宜,但 CCD 通常具有更好的线性度和更低的噪声。CCD 和 CMOS 相机的分辨率(由像素大小给出)约为 5 μm,因此光束半径可能小至 50 μm 甚至更小。有效区域的尺寸可达几毫米,因此可以处理非常大的光束。
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波长高达 1 或 1.1 μm 的不错选择,而基于 InGaAs 的探测器可以使用高达 1.7 μm ≈。对于更长的波长,例如用于CO2激光器、热释电和微测辐射热计红外热像仪都是合适的。这些相当昂贵。鉴于此类激光器的高输出功率,它们相对较低的响应度可能不是缺点。对于紫外激光器,CCD 和 CMOS 阵列可以与紫外转换板结合使用,将辐射转换为更长的波长,而不会损坏阵列。
图 2:一种用于 M 的激光光束轮廓仪2测量,由安装在电动平移台上的 CCD 相机组成。
相机传感器的空间分辨率是一个重要的量。使用硅传感器,像素尺寸可能远低于 10 μm,从而可以测量低至 50 μm 的光束直径。InGaAs 探测器的像素要大得多,宽度为 30 μm,而热释电阵列的像素不会低于 100 μm。低空间分辨率的结果是必须保持较大的光束尺寸,这也会导致瑞利长度过长。因此,完整的 M 需要更多的空间2测量。像素的数量也具有实际意义;较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。
大多数相机对光的敏感度都很高,通常比所需的要高得多。然后,在撞击相机之前,必须对激光束进行衰减(见下文)。也可以使用一些成像光学元件(例如用于扩大允许光束半径范围的扩束器或减束器),以便相机记录在其他位置(成像平面)出现的光束轮廓。这也允许对环境光进行良好的屏蔽。但是,光学元件当然不应引入过多的光学像差。
记录的光束轮廓可以显示在计算机屏幕上,可能与测量参数一起显示,例如光束半径、光束位置、椭圆度和统计信息,或高斯拟合。该软件可能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
还有一些光束轮廓仪,可以扫描带有一个或多个针孔、狭缝或刀口的光束轮廓。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)都会快速通过光束移动,而传输的功率则通过光电探测器和一些电子设备进行记录。计算机(PC 或内置微处理器)用于从测量数据中重建光束轮廓并将其显示在屏幕上。例如,传输的功率与刀口的位置基本上可以进行区分,以获得光束的一维强度分布,而移动狭缝直接提供强度分布。
扫描系统的空间分辨率可以高达几微米,甚至接近一微米(特别是对于扫描针孔或狭缝),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,与相机相比,它更容易获得较大的动态范围。可以处理的功率范围从微瓦到瓦特不等。在探测器之前很容易实现光束衰减,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,与高斯相差不远的光束轮廓,因为记录的信号通常在一个空间方向上积分,因此复杂(更结构化)光束形状的重建并不好。
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。
图 3:扫描狭缝光束轮廓仪。PC 屏幕显示两个方向获得的扫描以及重建的光束轮廓。
需要注意的重要问题
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?所需的精度是多少?应该使用光束半径的什么定义?
所考虑的光束是否接近高斯分布,或者它们是否具有复杂的形状,例如,在二极管棒的输出中出现?
光功率的范围是多少(通常取决于光束半径)?是否需要具有较大动态范围的设备,或者是否可以在较窄的光功率范围内工作?是否需要可调节的衰减器?
将设备连接到 PC(或笔记本电脑),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?例如,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?
该设备是否必须能够处理具有时间变化功率的光束,例如来自 Q 开关激光器的光束?
对于完整的光束质量表征:设备是否应该自动记录不同位置的光束轮廓并计算M2因素?
光束衰减
在许多情况下,特别是对于基于相机的系统,在将激光束送入光束轮廓仪之前,必须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光片);也可以使用微弱的反射,例如来自高质量玻璃板的反射。
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。一些示例包括:
一些衰减器没有很好的光学质量,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。
特别吸收的滤光片会破坏高功率水平下的光束质量,因为此时会出现热效应(热透镜效应)。
不建议使用高反射介电镜的低残余透射率进行光束质量测量,因为残余透射率在很大程度上取决于反射镜上的位置。
在布鲁斯特角附近以 p 偏振作用的光学表面的微弱反射通常不合适,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的步长提供衰减,因此可能很难在探测器中达到最佳功率水平。
便利性的各个方面也可能很重要。例如,如果电子设备可以自动调整所需的衰减系数,这将很有帮助。
爱特蒙特光学提供相干®公司 Lasercam™ 光束分析仪以及自己的光束分析仪系列,旨在测量各种激光光束尺寸,提供信息以优化激光系统运行。这些激光束轮廓仪具有高分辨率和大面积传感器,可确保对小激光束和大激光束进行准确轮廓分析。
Femto Easy 提供不同规格的 BeamPro 光束分析仪:
BeamPro 小像素轮廓仪的像素尺寸从 1.45 μm 到 3 μm 不等。它们适用于测量直径小至 10 μm 或更小的聚焦激光束。
BeamPro 大面积轮廓仪适用于直径大于 7 m,甚至高达 25 mm 的激光束,无需额外的光学元件。
Beampro 紧凑型轮廓仪的厚度小于 15 mm,可在狭小空间内进行光束轮廓分析。
BeamPro SWIR 轮廓仪可配备各种基于 InGaAs 的 SWIR 传感器,用于测量 900 – 1700 nm 范围内的激光束。
它们都配备了功能强大且用户友好的软件。
Kokyo 的光束分析仪(由我们自己开发)支持您的激光束测量:
波长:190 nm – 16 μm
光束直径:2 μm – 200 mm
最大激光强度:100 W/cm2
Kokyo 提供不同的套餐:
集成软件、相机和光学系统的软件包
软件和相机套装
仅限软件(您可以使用自己的相机)
该软件 (LaseView) 还提供 7 天的免费试用。
在表征 UV 到近红外范围内的激光束时,光束分析仪是解决方案。
得益于其高像素密度和大传感器尺寸的组合,BEAMAGE 系列激光束诊断仪器具有双重优势,即准确表征仅几十微米的极小光束和几毫米宽的较大光束,从而在一个封装中有效地涵盖大多数应用。
这个简单的软件非常直观,但包含许多强大的功能,对基本用户或高级用户都很有用。此外,该软件所做的计算符合 ISO 标准,并为用户提供最准确的光束表征,所有这些都在一个轻量级的环境中完成,不需要几天就可以掌握。
CNI 根据不同的波长范围和光斑大小提供各种光束分析仪:
可用于 190 nm 至 2100 nm 波长之间的设备
光束直径从 1 μm 到 22.4 mm
最大功率高达 500 W
软件界面显示 2D 和 3D 能量分布以及激光束轮廓特征,例如光斑直径、发散角和椭圆度
它广泛用于科学研究和工业领域。
DataRay 提供激光光束轮廓仪,包括光束剖析相机、扫描狭缝光束轮廓仪和专用系统。
2020-10-19
如何分析从光纤 UPC 或 APC 抛光套圈发出的单模激光束(直径 8 μm)?我需要从源头到 200 μm 的距离进行调查。我性能不佳的套圈在表面干涉仪调查下显得无缺。
回答:
对于如此小的光束,您可能需要一个具有足够高分辨率的基于相机的分析器。这可能非常棘手,特别是如果您还需要衰减光束 - 您没有空间插入衰减器。但也许您可以在源头上衰减。
另一种方法是准直光束,使用一个好的透镜,这样你就可以方便地使用标准光束轮廓仪分析光束。这样,您就可以了解光束质量,尽管如果不确切知道透镜相对于光纤的位置以及它对光束的确切作用,就很难获得准确的光束参数。