光束质量分析仪-----激光应用领域的必备工具

                                        光束质量分析仪-----激光应用领域的必备工具
                                         顶尖科仪（中国）股份有限公司技术支持部
                                                                        发布日期：2012-01-04
世界上第一台激光器诞生距今已有五十多年。与普通光源相比，激光具有单色性好、方向性强、相干性好、亮度高以及可调谐等优点，从而突破了以往所有普通光源的种种局限性，因此它一出现就获得了非同一般的发展速度。激光的发展不仅导致了一部典型的学科交叉的创造发明史，同时也使得古老的光学科学和光学技术获得了新生，而且激光已被广泛应用到医学、工业、信息技术等领域以及各种科学前沿问题中去，大大地促进了人类生产力的发展。
激光的应用和激光的辐射强度分布特征密不可分，因此我们需要了解光强的径向（垂直于传播方向）分布。为了描述激光光强的径向分布，人们常采用光束直径（或半径）来描述。众所周知，光束是没有绝对边缘的，所以，通常采用光束中心光强沿径向降低到一定比例时的光束截面圆直径作为光束直径。沿垂直于传播方向测量光束直径被广为采用的一个方法是，当光束为高斯光束或近似高斯光束时，我们测量强度为峰值强度的1/e2处的直径。这个位置包含了光束80%以上的能量分布，该处的光功率约为峰值功率的13.5%，通常以此处的半径值作为光斑半径。另一个常用值是半高全宽值，即光强下降到峰值强度的一半时的截面圆直径。对于光束直径的测量，使用两种方法中任意一个都可以。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。光束发散的程度由远场发散角θ来表示。光束宽度最小处的尺寸称为束腰半径。测量光束传播方向上（也就是z轴方向）不同点的光束半径，就能确定光束的远场发散角和束腰半径大小。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。
在上述诸多激光应用领域中，光束质量分析为激光器的有效使用提供了很多有价值的信息。比如在在生物技术上，为了识别核糖核酸和脱氧核糖核酸的“字母序列”和氨基酸种类，科学家们使用激光光束对其芯片实验平台进行扫描。在这项技术中，光斑M2因子越小，采样数量就要求越少。借助于光束分析仪，我们可以对光束宽度进行微调。分析光束轮廓在激光打印机校准和光纤对准的光学系统中也非常有用。与生物扫描技术和激光打印一样，激光还被用来扫描条形码和光存储技术，以利用激光光束读写信息。同样的，对于这方面而言也是光束越小，读写信息越精确。然而，为了让扫描仪处在方便的工作距离范围内，条形码读取器需要光束的操作范围比较大。通过光束分析仪，我们可以测量并调整激光光束，使之达到长瑞利范围，确保扫描仪具有良好的性能。在许多测量技术中，激光光束分析仪也被广泛应用，因为通过分析仪我们就能了解光束的空间分布特征，这有助于我们恰当地调整激光器，改变其输出。
总之，如果光束轮廓未知，那么激光将很难甚至不能投入使用。因此，激光的广泛应用以及光束分析的重要性，越来越要求我们拥有一种能够迅速而精确地测量光束参数的光束分析系统。
以色列Duma Optronics公司的Beam Analyzer USB光束质量分析仪和Beam On HR光束质量分析仪可用来分析光束轮廓，而M2 Beam分析仪可用来测量M2因子。
Beam Analyzer USB光束质量分析仪基于扫描刀口法原理，可提供光束的二维和三维的能量分布图，可测量光斑直径很小（3μm）的光束，并有很高的分辨率和动态范围。
Beam Analyzer USB的结构示意图如图1所示。Beam Analyzer USB内置的鼓轮每旋转一次，仪器就能获得一条剖面曲线。多次旋转即可获得光束的二维和三维轮廓图，测试结果如图2所示。
                                 
                                 图1 Beam Analyzer USB 示意图
                                 
                                 图2 Beam Analyzer USB 测试结果

Beam On HR光束质量分析仪基于CCD原理，由CCD截取到的光斑经A/D转换, 由计算机进行数据采集、曲线拟合及数据处理, 从而获得光束的二维和三维轮廓以及光束直径、光斑位置等参数。Beam On HR既可以测量连续激光，又可以测量脉冲激光。Beam On HR的示意图和测试结果分别如图3和图4所示。

                                 
                                  图3 Beam On HR 示意图
                                 
                                  图4 Beam On HR 测试结果

M2 Beam分析仪包含一个基于扫描刀口法的探头和一个显示模块，可用来测量X轴和Y轴的M2值、束腰大小和位置。M2 Beam的示意图和测试结果分别如图5和图6所示。
                                 
                                                                  
                                 
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