[激光原理与应用-62]：激光器 - 光学 - 怎样测量光斑和光束质量？

Posted 2023-01-16 文火冰糖的硅基工坊

目录

一、概述

二、光强分布

三、光束直径

四、光束相机

五、M²因子测量

六、束腰以及大小

七、发散角

八、正态分布/高斯分布

其他概念

---

一、概述

激光的直径和光强度分布可通过光束轮廓分析仪测量，但为了判定光束质量，还需要加上M²测量扩展套件，两者组合能沿传播方向扫描光束并采集多个光斑直径而算出M²数值。

光斑是光束在平面上的投影。

二、光强分布

激光谐振腔中的光强分布通过横模表征，而理想的激光器发射TEM00基模高斯光束，它具有最低阈值、最小束腰和最小发散角，并且输出光束的横向强度轮廓没有分瓣。

高阶模的效率更低，而且束腰和发散角更大，尤其容易出现在高功率激光中。实际光束是混模的，包含TEM00模和高阶模。

其它重要的光束形状可从高斯光束变换。

三、光束直径

表达光束直径的常用定义有三种：

第一种是半高宽(FWHM)，它以最高光强点为中心，在强度降低50%的两个点之间测量光束直径。对于高斯光束，在此计算宽度范围内包含约76%的功率。

第二种是1/e²光束直径，一般采用机械式光束分析仪测量高斯光束。对于高斯光束，FWHM光束直径的1.7倍等于1/e²光束直径。

第三种是D4σ直径是ISO11146标准中推荐用于任意光束的，包括高阶模光束。这种方法测量整个光束的轮廓特征，需要注意补偿背景光。

四、光束相机

光束相机能测量任意光束轮廓，不过由于高灵敏传感芯片，可能需要衰减才能防止饱和甚至损坏仪器，而且测量时要做背景光补偿。为了计算强度轮廓，每个像素的电流根据三维坐标系统处理，光束直径根据ISO11146推荐的D4σ方法计算。

相机式光束分析仪的优点是没有运动部件，而且能测量任何光束轮廓，包括高阶横模，甚至能同时测量多束激光。不过，它们一般基于硅探测器，工作波长只有UV到NIR范围，而且需要处理数据量更大。

Thorlabs新一代相机式光束分析仪(BP207系列)采用被动制冷的500万像素黑白CMOS芯片；具有双倍成像面积的1200万像素版本也在研发中。它安装了六位置滤光片转轮，提供最高60 dB衰减。

五、M²因子测量

为了测量准直光束的M²因子，需要使光束聚焦并在焦点前后扫描。直接的方法是把光束分析仪装在位移台上沿光路运动，采集多个点上的X和Y直径，由此确定束腰并根据实际与理想光束的参量积之比算出M²因子。

这种装置既占空间，还要让光束分析仪运动，特别是对于狭缝式分析仪，这还可能引入额外的测量噪声。因此，Thorlabs M²测量系统设计使用折叠光路：光束分析仪固定在设备的输出端口，聚焦透镜位于输入端口，使用两个转向镜使光束通过闭光的外壳。两个反射镜都装在精密位移台上，可以移动光束的聚焦位置，逐点测量光束直径。

六、束腰以及大小

光束半径最小的位置。

激光光束的束腰指的是光束传播方向上光束半径最小的地方。

这个地方的光束半径成为束腰半径。 

七、发散角

光束发散角是用来衡量光束从束腰向外发散的程度。

在自由空间光通信的应用中需要非常小的光束发散角。

具有非常小发散角的光束，例如光束半径在很长的传输距离内接近常数，被称为准直光束（近似直线）。

由于波动性，光束中存在一些发散是不可避免的（假设光在各向同性介质中传输）。紧聚焦光束的发散角更大。如果一个光束发散角远大于物理上决定的发散角，那么光束就具有很差的光束质量。

八、正态分布/高斯分布

其他概念

束腰(beam waist) | 联合光科