光束质量分析仪

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定义:测量激光光束的强度截面的装置。

光束质量分析仪(光束分析仪,模式分析仪)是一种诊断装置,可以测量激光光束的整个光强截面,即不仅能测量光束半径还可以测量得到细节形状。

光束质量分析仪可以用于以下方面:定性给出光束截面可以用于激光的对准,而测量光轴不同位置处的光束半径可以计算 M2因子或者光束参量乘积,定性表征光束质量

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图1:高斯光束(左图)和多模激光光束(右图)的强度截面。后者强度变化更加复杂。这种多模光束可由谐振腔基模远小于增益介质中泵浦区域的激光器产生。

采用合适的激光光束诊断方法控制光束质量在很多激光器应用中都很重要,例如,材料加工;例如,如果可以控制光束质量,就可以得到更加一致的钻孔质量。


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相机式光束质量分析仪

很多光束质量分析仪采用一些数码相机。在可见光和近红外光谱区域,CMOS和CCD是最常见的。CMOS装置更加便宜,但是CCD具有更好的线性和更低的噪声。CCD和CMOS相机都能得到5μm量级(由像素大小得到的)的分辨率,因此光束半径可以小到50 μm甚至更小。有源区面积的尺寸为几个毫米,因此可以处理非常大的光束。

图2:测量因子的激光光束质量分析仪,CCD相机安装在电动平移台上。

不同的波长区域需要采用不同的传感器类型。硅基传感器非常适用于可见光和近红外光谱区域,波导可以达到1或1.1 μm,而InGaAs探测器可以用于波长达到约1.7 μm。对于更长的波长,例如表征CO2激光器的光束性能,采用热电的或者微测辐射热计相机就可以。这些相机相对比较昂贵。鉴于该激光器的输出功率很高,因此其相对较低的响应度也不算是一个缺点。对于紫外线激光器,CCD和CMOS阵列可以与UV转换板结合使用,将辐射光转化成更长的波长区域,而不会损伤相机阵列。

相机式传感器的空间分辨率是一个非常重要的量。对于硅传感器,像素大小可以低至10 μm,因此可以测量50 μm量级的光束直径。InGaAs探测器具有更大的像素大小,宽度为30 μm,然而热电相机阵列不能达到小于100 μm。很低的空间分辨率的结果就是光束尺寸需要比较大,因此瑞利长度较大。因此,若测量M2,需要更大的空间。像素个数在实际中也很重要,数目大表示可以测量更大范围内的光束直径。

当用于窄线宽激光器时,相机式系统对时间相干引起的伪影非常敏感。为了抑制这些伪影并消除器对测量数据的影响,需要非常仔细的光学设计(无窗口,会引起寄生反射)。

很多相机都对光非常敏感,通常比需要的还要敏感。因此光在进入相机前需要先经过衰减。有时也需要采用一些成像光学(例如,光束放大器用来扩大光束半径的范围),这样相机记录的光束截面就等同于其它位置(相平面)的光束截面。这可以很好的屏蔽杂散光。但是,采用的光学装置不应该引入附加畸变效应。

记录的光束截面可以显示在计算机屏幕上,同时还包括测量的参数,例如光束半径,光束位置,椭圆度和统计信息,或者高斯拟合。软件可以选择不同方法确定光束半径,例如D4σ方法或者简单的1/e2标准。


采用狭缝、刀口或针孔的扫描光束质量分析仪

有的光束分析仪可以采用一个或者多个针孔、狭缝或者刀口来扫描光束截面。任一情况下,一些机械部分(固定在旋转部分上)快速通过光束,而透射功率由一个光电探测器或一些电子装置记录。采用计算机(PC或者内置微处理器)根据测量数据得出光束截面,然后显示在屏幕上。例如,透射功率与刀口位置的关系被分离开来得到光束的一维强度截面,然后移动的狭缝可以直接得到强度截面。

图3:扫描狭缝光束质量分析仪。PC显示屏显示扫描了两个方向并重建的光束截面。

扫描系统的空间分辨率可以高达几微米,甚至接近于1微米(尤其是扫描针孔或狭缝),适用于表征小直径光束。扫描的一个重要优点是光电探测器不需要具有很高的空间分辨率,因此适用于不同波长区域的探测器都能使用。另外,与相机式相比,这种方法也可以得到更大的动态范围。可以承担的功率从mW到W量级。也很容易在进入探测器间进行光束衰减,因为它需要的光束质量比相机式系统低很多。

扫描光束质量分析仪特别适用于光束截面接近于高斯型光束的情况,尤其是采用狭缝或者刀口扫描的系统,因为,记录的信号通常在一个空间方向,因此重塑复杂的光束形状通常得到的结果不是很理想。

有些扫描光束质量分析仪可以用于脉冲激光光束,例如来自于调Q激光器的光束。但是,它只适用于足够高的脉冲重复速率的情形;需要注意的是,最小的重复速率与光束直径有关。


需要考虑的一些因素

在选择光谱质量分析仪用于某一应用中时有很多要求:

  1. 光束半径或直径的范围是多少?需要的准度是多少?需要采用哪种光束半径的定义?
  2. 光束是否接近于高斯型?或者是否具有复杂的形状?
  3. 光功率的范围是多少(通常与光束半径有关)?是否需要大动态范围的器件,或者装置工作在很窄的光功率范围能否符合要求?是否需要可调衰减器?
  4. 装置是否需要连接到一个PC上,或者装置需要具有内置的电子装置来显示结果?
  5. 需要什么样的软件?例如,需要直接显示哪个光束参数?是否需要在很大的光束半径和功率范围内测量光束参数?是否需要数据记录特性?
  6. 装置是否需要处理随时间变化功率的光束,例如来自于调Q激光器?
  7. 为了得到全部的光束质量特性:装置是否需要自动记录在不同位置处的光束截面和计算 M2因子?


光束衰减

大多数情况下,尤其是相机式系统,光束在进入质量分析仪之前需要先进行衰减。有些系统在传播过程中采用光衰减器(例如,楔形中性密度滤波器);有时也利用高质量玻璃片的弱反射。

尽管衰减是一个很重要的任务,若采用不恰当的方法就会产生很多问题。例如:

  1. 有些衰减器具有不是很高的光学质量,或者会由于表面的反射引起干涉效应因此破坏窄线宽光束的光束质量。
  2. 吸收滤波器在高功率情况下会降低光束质量,因为这时存在热学效应。
  3. 不建议采用高反射率的电介质反射镜用于光束质量的测量,因为其参与透射率与反射镜的位置密切相关。
  4. 光学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,因为这种工作条件下s偏振光具有很高的反射率,因此在激光增益介质中引起去极化现象。
  5. 有些方法提供的衰减是非常粗的不可调的,这种探测器很难得到峰值功率。

装置是否方便也是一个考虑因素。例如,如果可以采用电子学自动调节衰减因子是非常便利的。


参考文献

[1] ISO Standard 11554, “Optics and photonics – Lasers and laser-related equipment – Test methods for laser beam power, energy and temporal characteristics”


参阅:激光光束光束质量M2因子光束参数乘积