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光束質(zhì)量分析儀是測(cè)量激光光束的強(qiáng)度截面的裝置。光束質(zhì)量分析儀（光束分析儀，模式分析儀）是一種診斷裝置，可以測(cè)量激光光束的整個(gè)光強(qiáng)截面，即不僅能測(cè)量光束半徑還可以測(cè)量得到細(xì)節(jié)形狀。
光束質(zhì)量分析儀可以用于以下方面：定性給出光束截面可以用于激光的對(duì)準(zhǔn)，而測(cè)量光軸不同位置處的光束半徑可以計(jì)算 M2因子或者光束參量乘積，定性表征光束質(zhì)量。
圖1：高斯光束（左圖）和多模激光光束（右圖）的強(qiáng)度截面。后者強(qiáng)度變化更加復(fù)雜。
這種多模光束可由諧振腔基模遠(yuǎn)小于增益介質(zhì)中泵浦區(qū)域的激光器產(chǎn)生。
采用合適的激光光束診斷方法控制光束質(zhì)量在很多激光器應(yīng)用中都很重要，例如，材料加工；例如，如果可以控制光束質(zhì)量，就可以得到更加一致的鉆孔質(zhì)量。
相機(jī)式光束質(zhì)量分析儀
很多光束質(zhì)量分析儀采用一些數(shù)碼相機(jī)。在可見(jiàn)光和近紅外光譜區(qū)域，CMOS和CCD是較常見(jiàn)的。CMOS裝置更加便宜，但是CCD具有更好的線性和更低的噪聲。CCD和CMOS相機(jī)都能得到5μm量級(jí)（由像素大小得到的）的分辨率，因此光束半徑可以小到50 μm甚至更小。有源區(qū)面積的尺寸為幾個(gè)毫米，因此可以處理非常大的光束。
圖2：測(cè)量因子的激光光束質(zhì)量分析儀，CCD相機(jī)安裝在電動(dòng)平移臺(tái)上。
不同的波長(zhǎng)區(qū)域需要采用不同的傳感器類型。硅基傳感器非常適用于可見(jiàn)光和近紅外光譜區(qū)域，波導(dǎo)可以達(dá)到1或1.1 μm，而InGaAs探測(cè)器可以用于波長(zhǎng)達(dá)到約1.7 μm。
對(duì)于更長(zhǎng)的波長(zhǎng)，例如表征CO2激光器的光束性能，采用熱電的或者微測(cè)輻射熱計(jì)相機(jī)就可以。這些相機(jī)相對(duì)比較昂貴。鑒于該激光器的輸出功率很高，因此其相對(duì)較低的響應(yīng)度也不算是一個(gè)缺點(diǎn)。對(duì)于紫外線激光器，CCD和CMOS陣列可以與UV轉(zhuǎn)換板結(jié)合使用，將輻射光轉(zhuǎn)化成更長(zhǎng)的波長(zhǎng)區(qū)域，而不會(huì)損傷相機(jī)陣列。
相機(jī)式傳感器的空間分辨率是一個(gè)非常重要的量。對(duì)于硅傳感器，像素大小可以低至10 μm，因此可以測(cè)量50 μm量級(jí)的光束直徑。InGaAs探測(cè)器具有更大的像素大小，寬度為30 μm，然而熱電相機(jī)陣列不能達(dá)到小于100 μm。很低的空間分辨率的結(jié)果就是光束尺寸需要比較大，因此瑞利長(zhǎng)度較大。因此，若測(cè)量M2，需要更大的空間。像素個(gè)數(shù)在實(shí)際中也很重要，數(shù)目大表示可以測(cè)量更大范圍內(nèi)的光束直徑。
當(dāng)用于窄線寬激光器時(shí)，相機(jī)式系統(tǒng)對(duì)時(shí)間相干引起的偽影非常敏感。為了抑制這些偽影并消除器對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的影響，需要非常仔細(xì)的光學(xué)設(shè)計(jì)（無(wú)窗口，會(huì)引起寄生反射）。
很多相機(jī)都對(duì)光非常敏感，通常比需要的還要敏感。因此光在進(jìn)入相機(jī)前需要先經(jīng)過(guò)衰減。有時(shí)也需要采用一些成像光學(xué)（例如，光束放大器用來(lái)擴(kuò)大光束半徑的范圍），這樣相機(jī)記錄的光束截面就等同于其它位置（相平面）的光束截面。這可以很好的屏蔽雜散光。但是，采用的光學(xué)裝置不應(yīng)該引入附加畸變效應(yīng)。
記錄的光束截面可以顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上，同時(shí)還包括測(cè)量的參數(shù)，例如光束半徑，光束位置，橢圓度和統(tǒng)計(jì)信息，或者高斯擬合。軟件可以選擇不同方法確定光束半徑，例如D4σ方法或者簡(jiǎn)單的1/e2標(biāo)準(zhǔn)。
采用狹縫、刀口或針孔的掃描光束質(zhì)量分析儀
有的光束分析儀可以采用一個(gè)或者多個(gè)針孔、狹縫或者刀口來(lái)掃描光束截面。任一情況下，一些機(jī)械部分（固定在旋轉(zhuǎn)部分上）快速通過(guò)光束，而透射功率由一個(gè)光電探測(cè)器或一些電子裝置記錄。采用計(jì)算機(jī)（PC或者內(nèi)置微處理器）根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)得出光束截面，然后顯示在屏幕上。例如，透射功率與刀口位置的關(guān)系被分離開(kāi)來(lái)得到光束的一維強(qiáng)度截面，然后移動(dòng)的狹縫可以直接得到強(qiáng)度截面。
圖3：掃描狹縫光束質(zhì)量分析儀。PC顯示屏顯示掃描了兩個(gè)方向并重建的光束截面。
掃描系統(tǒng)的空間分辨率可以高達(dá)幾微米，甚至接近于1微米（尤其是掃描針孔或狹縫），適用于表征小直徑光束。掃描的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是光電探測(cè)器不需要具有很高的空間分辨率，因此適用于不同波長(zhǎng)區(qū)域的探測(cè)器都能使用。另外，與相機(jī)式相比，這種方法也可以得到更大的動(dòng)態(tài)范圍。可以承擔(dān)的功率從mW到W量級(jí)。也很容易在進(jìn)入探測(cè)器間進(jìn)行光束衰減，因?yàn)樗枰墓馐|(zhì)量比相機(jī)式系統(tǒng)低很多。
掃描光束質(zhì)量分析儀特別適用于光束截面接近于高斯型光束的情況，尤其是采用狹縫或者刀口掃描的系統(tǒng)，因?yàn)?，記錄的信?hào)通常在一個(gè)空間方向，因此重塑復(fù)雜的光束形狀通常得到的結(jié)果不是很理想。
有些掃描光束質(zhì)量分析儀可以用于脈沖激光光束，例如來(lái)自于調(diào)Q激光器的光束。但是，它只適用于足夠高的脈沖重復(fù)速率的情形；需要注意的是，min的重復(fù)速率與光束直徑有關(guān)。
需要考慮的一些因素
在選擇光譜質(zhì)量分析儀用于某一應(yīng)用中時(shí)有很多要求：
光束半徑或直徑的范圍是多少？需要的準(zhǔn)度是多少？需要采用哪種光束半徑的定義？
光束是否接近于高斯型？或者是否具有復(fù)雜的形狀？
光功率的范圍是多少（通常與光束半徑有關(guān)）？是否需要大動(dòng)態(tài)范圍的器件，或者裝置工作在很窄的光功率范圍能否符合要求？是否需要可調(diào)衰減器？
裝置是否需要連接到一個(gè)PC上，或者裝置需要具有內(nèi)置的電子裝置來(lái)顯示結(jié)果？
需要什么樣的軟件？例如，需要直接顯示哪個(gè)光束參數(shù)？是否需要在很大的光束半徑和功率范圍內(nèi)測(cè)量光束參數(shù)？是否需要數(shù)據(jù)記錄特性？
裝置是否需要處理隨時(shí)間變化功率的光束，例如來(lái)自于調(diào)Q激光器？
為了得到全部的光束質(zhì)量特性：裝置是否需要自動(dòng)記錄在不同位置處的光束截面和計(jì)算 M2因子？
光束衰減
大多數(shù)情況下，尤其是相機(jī)式系統(tǒng)，光束在進(jìn)入質(zhì)量分析儀之前需要先進(jìn)行衰減。有些系統(tǒng)在傳播過(guò)程中采用光衰減器（例如，楔形中性密度濾波器）；有時(shí)也利用高質(zhì)量玻璃片的弱反射。
盡管衰減是一個(gè)很重要的任務(wù)，若采用不恰當(dāng)?shù)姆椒ň蜁?huì)產(chǎn)生很多問(wèn)題。例如：
有些衰減器具有不是很高的光學(xué)質(zhì)量，或者會(huì)由于表面的反射引起干涉效應(yīng)因此破壞窄線寬光束的光束質(zhì)量。
吸收濾波器在高功率情況下會(huì)降低光束質(zhì)量，因?yàn)檫@時(shí)存在熱學(xué)效應(yīng)。
不建議采用高反射率的電介質(zhì)反射鏡用于光束質(zhì)量的測(cè)量，因?yàn)槠鋮⑴c透射率與反射鏡的位置密切相關(guān)。
光學(xué)表面的近于布儒斯特角的p偏振的弱反射光也是不需要的，因?yàn)檫@種工作條件下s偏振光具有很高的反射率，因此在激光增益介質(zhì)中引起去極化現(xiàn)象。
有些方法提供的衰減是非常粗的不可調(diào)的，這種探測(cè)器很難得到峰值功率。
裝置是否方便也是一個(gè)考慮因素。例如，如果可以采用電子學(xué)自動(dòng)調(diào)節(jié)衰減因子是非常便利的。
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