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德国Cinogy公司CO2激光器专用高分辨率光束质量分析仪
Cinogy相机型光束质量分析仪
光束质量分析在激光应用中的重要性
在医学、工业生产、激光打印、激光打标、激光焊接、激光切割以及光纤通信等许多激光应用领域，光束轮廓为激光器的最有效使用提供了有价值信息。尽管光束轮廓在学校的光学理论课程中很少出现，但在实际测量中的应用却非常普遍。光束轮廓显示了光束的所有特征，描述了光束的传播特性、光束质量和光束用途。另外，还能得出修正和整形后的输出效率。光束轮廓同时还用于激光打印机和光纤瞄准系统。如果光束轮廓未知，很难甚至不可能将激光进行利用。
什么是光束轮廓？
空间特性描述了光束的波前辐射能量分布。辐射通过光束运行路线上横截面内的点的相对强度图来显示。
光强的最基本测量用光束宽度或光束直径这单一的数值来定义。由于光斑没有明显的物理边缘，挑选出的“有用”能量百分比处两点间的距离被作为光束宽度。当光束为高斯光束或近似高斯光束时,测量的公值就是1/e2直径。这个点包含能量分布的4-sigma,光功率是峰值功率的13.5%。另一个常用值是半高全宽值（FWHM），此处光能下降到最大值的一半。对于光束直径的测量，使用两种方法中任意一个就可以确定光束空间发光的各种重要特征。
根据波前传播理论，光束的发散是由于在传播过程中光束直径的增加引起的。光束发散的比例由角度值θ来表示。光束宽度最小处的尺寸称为光腰（D0）。测量光传播方向（也就是Z轴）上不同点的光束直径，就能确定光束的发散角和光腰特性。光束分析仪正是沿着Z轴对光束尺寸进行取样，以确定光束的空间特性。光束轮廓的最终结果是生成光束能量分布图。测量方法有模杯、荧光粉、红外卡、树脂玻璃片、烧白纸和胶片。因为这些粗糙的方法都不能提供数值，因而需要对图像进行主观上的评价。测量激光束更精确的设备是孔径扫描和CCD阵列相机。首选这些传感器是因为它们能提供真实的数值输出，很容易精确量化光束特性。正如William
Thomson, Lord Kelvin所说：
“…当你能测量你谈到的东西，并能用数字描述的时候，你对它就有所了解；但当你不能测量、也不能用数字描述的时候，你的知识还很缺乏，不能令人满意”
为什么光束轮廓如此重要？
任何优秀的设计都是基于测试实际性能而不是依靠理论来假设。几乎所有的光学系统使用的光学元件会改变光源（激光，LED或相干光）输出的路径或能量分配。为了选择必要的光学元件，系统设计者必须要了解光的初始分布。系统制造商必须知道他们的元件是否能达到预期的效果。他们还需要对光束的性能进行实时的反馈以便及时做出调整。最终用户需要一个简单的方法来确认他们提供的系统能提供想要的合格性能。光学设计工程师面对的是有大量变数工作的挑战。实际上光束空间分布是驱动电流、光源温度、内部孔径或反射镜设置共同作用的结果，可以改变。知道光腰尺寸和实际发散角θ，设计者就能通过下述公式得出任何沿Z轴传播光束的光斑直径：
将上述结果和薄透镜公式或光线轨迹方程相结合，就可以对高斯光束或混合模式光束进行建模。这将节省设计周期，节约时间和费用。从非数值采样方法得到的分析结果会对激光束得出许多不同结论，但通过光束轮廓可以得出光束直径的数值采样。光束的XY扫描或二维阵列图像可以提供量化的光斑形状以及椭圆率。新型分析仪还可以提供光斑位置的精确测量，以及由此造成的光学系统中的指示误差。另外，分析仪提供快速、实时的反馈来协助调整光学系统。光束被聚焦直到分析仪得出精确调整结果的图像。把光束分析仪装配在多轴精密工作台上可以进行光学元件的自动化精密装配。
光束分析仪的应用领域
1．激光制造工业
光束分析仪在传统激光制造业中已经有了一套技术标准。均匀激光束的品质由下述参数定义：衍射极限倍数因子M2，或它的倒数k因子。由光腰z0、光腰直径dσ0及远场发散角θ得出：
k=1/M2=(4λ0 /π)·(1/ndσ0θσ)=4(4λ/π) ·(1/dσ0θσ)
这里，λ0 为真空中的波长，
λ为折射率为n的介质中波长，
k为光束传播因子，
M2为衍射极限倍数因子，
n为折射率。
M2或k因子给出了激光光束聚焦程度的理论测量方法。这对评价不同应用领域的光束好坏非常重要。M2或k=1描述了理想衍射极限光束。换句话说，它直接与波长和透镜系统的衍射极限相关，和激光本身没有任何关系。
激光二极管和VCSELs都是半导体激光器，有着比近轴光束更大的发散角。从典型的激光腔中检测这类激光很不容易。通常重要参数包括：功率输入-光强输出曲线-称为LI或LIV曲线、光束的光谱以及发散角。由于半导体激光器的发散角较大，需要用透镜聚焦得到可用光束。光束形状和发散特性可以得出光学设计中设备的工作情况。LI曲线可以提供激光器的输出效率，并能探测到二极管生产工艺中的任何瑕疵。和从激光介质发射光的腔激光器不同，二极管激光器的波长由晶格的物理结构以及它怎么构成激光腔决定，因此，二极管激光器系统不仅需要测量LI曲线和发散角轮廓，还需要进行光谱测试。
2．医学/生物技术应用
在医学和生物技术行业激光的应用非常广泛，范围从光手术刀或读取DNA芯片遗传密码的扫描仪。所有这些应用都需要对激光光束进行整形和调整。光束分析仪直接检测光束成形，观测光束能否达到期望值，如果不能，就需要进行实时调整。FDA和国家卫生管理机构对医疗器械的测试有严格的要求。符合“生产质量管理规范”（GMP）和“非临床研究质量管理规范”（GLP）是最根本的要求。为保证医疗设备的性能，这两个规范都要求进行可重复和可追踪的测试。不管是在Lasik眼科手术，腹腔镜手术中的光手术刀还是其他病人护理中的激光器应用，可追踪、可校准的光束分析仪对维护和校准这些医疗激光系统都是非常必要的。
激光在生物技术中的应用主要是基因组和蛋白质组“芯片实验室”探测器的扫描。这种系统使用激光光束识别（或“读取”）DNA和RNA序列的积木式“字母”或蛋白质的氨基酸成分。光斑质量越好，采样就越小。光束分析仪可以帮助对这一类扫描仪进行最后的微调。
3．制图和印刷工业
激光印刷工业最早利用光束分析仪来设计和制造激光打印机的核心部分 —
激光扫描单元（LSU）。这需要了解系统的光斑尺寸、阵列以及光束摆动对激光打印机的影响并做进一步的改进。激光打印机产业的市场竞争和价格竞争非常激烈，因此降低成本生产LSU就显得极为重要。尽管如此，每一个LSU都必须进行调整和测试以确保正确运行。常规的LSU的测试时间大约需要20分钟，一种新的仪器测量技术可以把测试时间减少到几秒。LSU的生产能力由此增加了十倍以上，因此测试成本得到显著降低。
4．条形码扫描和光存储
条形码扫描和光存储技术利用激光光束读写信息。和生物扫描技术及激光打印一样，光束越小，读写信息越精确。然而，条形码读取器需要的操作范围非常长，允许扫描仪工作在大于工作距离的范围。光束的光腰范围称为瑞利范围。定义为光束直径的，这里D0称为光腰，或称为光束最小直径。
光束分析仪可以直接测量和调整光束达到长瑞利范围已达到扫描仪的良好性能。另一方面，对于光存储，光束通常被优化为一个非常小的光斑。由于光斑直径和瑞利范围成反比，所以光存储激光器光束的焦点就非常关键。下式从数学上给以表示：
由于对于任何给定的波长λ，D0θ等于一个常数，因此，。
对于较小光斑的情况，发散角必须足够大；对于发散角较小（比如长瑞利范围、准直光束）的情况，光腰值必须大。
5．焊接和切割工业
由于激光能在工件上发射精确的功率密度，大多数高功率焊接和切割激光器都利用了激光的这种精密性。为了保证使用过程中精度的持续性，监控激光的性能非常重要。现在通常所采用的处理方法是检测瑕疵处，或者监控未聚焦光束和推断聚焦光束的性能。
但这两种方法都不是最佳的解决方法。首先，为了了解激光是否正常工作，需要浪费材料和时间制造一个缺陷，有时缺陷还很难被探测到，只有在激光加工过程中才能被探测出来，这样就产生了额外费用，增加了废弃和重做的可能。监控最初的激光束的缺点是只检测了激光器，而不是实际的光学系统，它不能告诉您下一步怎么处理半成品。通过设计合理的狭缝扫描光束分析仪，比如Photon公司的高功率NanoScan光束质量分析仪，就可以测量光束在真实情况下的工作状态。它可以精确的测量在工作台上的光束直径、形状以及功率分布。提供光束直径的数值、椭圆率、以及光斑质心的位置。对激光器、聚焦系统和发散系统所出现的问题都可以提前进行警告。
什么是光束质量分析仪，它是如何工作的？
1． 高斯光束质量分析
标准的光束质量分析仪是一个成像探测器设备，可以由光阑、刀口、狭缝、或二维阵列-如CCD（电耦合设备）相机制成。光束在分析仪处聚焦并进行测量。我们讨论的目的是介绍狭缝扫描分析仪测量高斯近轴光束。狭缝法与光阑法、刀口法及相机法相比存在很多优势。
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2．为什么使用狭缝？
狭缝扫描形成一个天然的衰减器，可以不外加衰减就直接测量高功率的光束。CCD相机阵列只能直接探测几个皮瓦的功率。使用双狭缝可以同时测量x轴和y轴光束的坐标。如果光束分析仪的狭缝通过长轴和短轴，光束的椭圆率就能被精确的测量。XY正交扫描原理就是Photon公司的BeamScan和NanoScan设备的基础。狭缝法相对刀口法有两重优势：首先，由于刀口只能从一边切割光束，而不是衰减光束，就需要附加衰减器防止探测器出现饱和。第二，为了观察道刀口边缘的光束轮廓轨迹必须被区分，这时包含在光束中的噪声被放大。为获得一个明显的平滑轮廓，噪声必须被过滤掉。虽然这时的光束比实际看上去要好，但是滤波会滤掉光束结构的一些重要信息。
光阑也可以衰减光束，但是为获得好的光束轮廓的对准却很难。光阑法只是在边缘上能提供比狭缝法更好的空间特性，它必须被准直以通过光束的最大弦。这很难做到，尤其对于聚焦光束。
光束宽度由测出的最大光束能量值的分布图上相应两点间的距离决定。通过设置需要的（通常是1/e2或13.5%），狭缝扫描仪直接得出光束宽度。使用XY扫描头，狭缝法测量光束在x轴和y轴的直径。电脑程序通过数据就可以得出虚拟的光束三维图像。
3．为什么还要使用CCD相机？
对低频脉冲光束，必须使用二维阵列扫描光束。对单触发光，持续时间极短，无法使用狭缝扫描法测量。CCD相机可以同步的“捕捉”光脉冲。得出光束真实的二维图像。CCD相机法的缺点是很小的光功率直接打到CCD上就会饱和，这就需要使用外置衰减器来控制光的总功率。另外，像素阵列大小决定测量的精度。最好的CCD相机的像素直径只有5-10um。对于非常小的光束直径，可能无法精密探测。基于CCD的分析仪对于那些直径大于100um的光斑非常适用。尽管硅探测器CCD相机很便宜，但它的光谱响应被限制在可见光区域。对于在nm的“通信”波段，需要使用InGaAs探测器，它的价格比较昂贵，而且像素尺寸较大（30um）限制了空间分辨率。更长波长则需要使用更贵的仪器来测量。
对于kHz以上频率的脉冲光，可以用狭缝分析仪测量光束宽度等数据。许多CO2激光器使用脉宽调制（PWM）来控制激光器的功率水平。使用脉冲工作来减少占空比和降低平均光功率。光束在近似连续光的条件下运行时，许多操作人员都没有意识到它是脉冲光。这种情况下测量时，狭缝分析仪必须有脉冲操作模式，而且脉冲频率必须至少几千赫兹；频率和光束尺寸结合必须提供充足的脉冲光通过分析仪才能生成需要的光束轮廓，最少需要8到10个脉冲。PWM激光器需要在大概10kHz的条件下使用。光束尺寸和频率的关系是一个很简单的数学模型。由于脉冲光需要光腔运行在最低速度（如Photon公司的NanoScan在1.25Hz）。这时狭缝运转速度是在每秒115mm以下，或者每兆秒115um。这意味着每个狭缝将用1.7毫秒通过200um光束，5kHz的激光器在这个时间内可以产生8个脉冲，因此可以提供足够的数据产生光束轮廓。更小的光束需要更快的脉冲频率，大光束则可以在低频下运行。
脉冲频率大于500kHz的光就可以当成连续光来分析。狭缝扫描光束分析仪配的热释电探测器可以探测从紫外到超过20um的远红外的整个光谱范围，获得一个通用的光束轮廓。
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