隨著激光束被廣泛的運(yùn)用在各種應(yīng)用中，激光光束質(zhì)量的好壞成為了激光制造淤年、激光加工等企業(yè)所面臨的一個(gè)非常重要的問題钧敞。光束質(zhì)量分析儀自從20世紀(jì)90年代誕生以來(lái)，主要分為機(jī)械掃描法和CCD/CMOS相機(jī)法這兩種方式麸粮。CCD/CMOS相機(jī)有著體積小溉苛、操作簡(jiǎn)單、性價(jià)比高等諸多優(yōu)點(diǎn)弄诲，逐漸成為當(dāng)今評(píng)價(jià)光束質(zhì)量的主流方式愚战。
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光束質(zhì)量分析儀測(cè)量原理（一）
光束質(zhì)量分析儀（光束輪廓分析儀）是一種用于激光束測(cè)量的重要工具寂玲，它不僅可以測(cè)量激光束的整個(gè)光強(qiáng)分布，也可以測(cè)量激光束的具體形狀及大小梗摇。在一些激光應(yīng)用（例如激光切割拓哟、激光打孔）方面上，激光束的檢測(cè)是非常重要的伶授，它影響著切割的精度以及鉆孔的質(zhì)量断序。
目前市面上使用較多光束測(cè)量方法有狹縫掃描法、刀口掃描法谎砾、面陣相機(jī)法逢倍。狹縫法和刀口法掃描時(shí)間較長(zhǎng)捧颅、且為人工控制景图、測(cè)量精度難以把控。該測(cè)量方法操作復(fù)雜碉哑，容易出錯(cuò)挚币，多為經(jīng)驗(yàn)豐富的技術(shù)人員操作,但優(yōu)勢(shì)在于可以測(cè)量大功率激光。面陣相機(jī)操作簡(jiǎn)單扣典、掃面速度快妆毕、測(cè)量精度高、光譜響應(yīng)范圍寬等諸多優(yōu)點(diǎn),成為現(xiàn)在主流的光束測(cè)量方法贮尖。此外笛粘，相機(jī)前面加上合適的衰減片，也可測(cè)量高功率激光。
以下主要介紹相機(jī)式光束質(zhì)量分析儀測(cè)量基本原理薪前。
圖1光束質(zhì)量分析儀基本原理框圖
測(cè)量原理：
如圖一所示润努，激光器發(fā)射出來(lái)的激光，經(jīng)過光路準(zhǔn)直后示括，通過衰減片（將功率降低到一定程度铺浇，避免燒壞相機(jī)芯片，此外由于背景光對(duì)實(shí)驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果影響很大垛膝，因此衰減片緊貼著相機(jī)）直射入相機(jī)的感光芯片鳍侣。相機(jī)將采集到的激光信號(hào)傳到計(jì)算機(jī)進(jìn)行封裝成偽彩圖像進(jìn)行處理，Z后根據(jù)軟件的算法吼拥，計(jì)算處光束寬度等激光參數(shù)倚聚，并根據(jù)偽彩圖像建立光斑分布模型。
激光光束參數(shù)：
一凿可、 光束強(qiáng)度（光強(qiáng)）
激光光束強(qiáng)度是指單位面積上光束的平均能量（功率）秉沼，又稱為光強(qiáng)。計(jì)算公式如下：
電場(chǎng)強(qiáng)度矿酵，
磁場(chǎng)強(qiáng)度唬复。它們分別表示為:
為波長(zhǎng)，
為角頻率全肮，
為電場(chǎng)的振幅敞咧，
為磁場(chǎng)的振幅。在各種光學(xué)效應(yīng)中辜腺，主要是電場(chǎng)起主要作用休建，其又可表示為：
n表示介質(zhì)的折射率，
表示真空磁導(dǎo)率评疗，c表示光波傳播速度测砂。
光強(qiáng)在光軸位置Z大安疗，越遠(yuǎn)離光軸某残，光強(qiáng)越小祭钉。通常情況下名挥，光強(qiáng)是圓柱對(duì)稱的高斯分布饶号。表示為：
表示光軸（r=0）處的光強(qiáng)株依，
定義為光束半徑叉存，r為光束橫截面內(nèi)阎曹，距離光斑質(zhì)心的長(zhǎng)度雕拼。
二纵东、光束束寬
圖2 光束切面高斯分布圖
光束的寬度定義一般分以下幾種。
（1）
定義
在光強(qiáng)分布曲線E(r)上啥寇，r為徑向坐標(biāo)偎球，光強(qiáng)Z大值
的
處兩點(diǎn)間的距離的一半定義為束寬
表示為：
(2) 86.5% 環(huán)圍功率（能量）定義
以光斑質(zhì)心為中心畫圓洒扎，圓中包含的能量與光斑總能量的比值為 86.5％,此時(shí)，圓的半徑定義為束寬
表示為：
(3)刀口法
按照能量定義光束寬度衰絮，總能量的10%-90%之間距離的一半定義為束寬逊笆，刀口法不需要考慮亮度飽和問題，不僅能測(cè)量無(wú)規(guī)律的J差光束質(zhì)量的激光束寬岂傲，也可測(cè)量大功率激光器的光束束寬难裆。
(4)二階矩定義
目前國(guó)際按照IOS 11146統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的一種分析方法，即及激光束寬正比于光束截面上功率密度分布的二階中心矩镊掖，在直角坐標(biāo)系中乃戈，光束在z處時(shí)的光強(qiáng)分布函數(shù)的二階矩表示為：
和
表示當(dāng)前位置到光斑質(zhì)心坐標(biāo)
的距離，
和
的表達(dá)式如下所示：
在實(shí)際測(cè)量中亩进，計(jì)算光斑質(zhì)心位置都是計(jì)算光斑各個(gè)點(diǎn)的灰度值症虑，因此質(zhì)心位置又可表示為：
則二階矩公式可以表示為：
這種方法又稱之為“透鏡變換法”采用這種方法有以下幾種好處：
1. 可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量；
2. 像方束腰位置飄移較泄檠Α谍憔；
3. 降低了由孔徑限制引起的衍射效應(yīng)對(duì)近場(chǎng)束寬的影響；
4. 由于上述是對(duì)整個(gè)x,y平面積分主籍，因此此積分是至少在捕獲光功率（能量）99%以上區(qū)域進(jìn)行的习贫，配合計(jì)算機(jī)的圖像處理系統(tǒng)可以快速的計(jì)算出光束束寬的大小。但此方法對(duì)高空間頻率的干擾非常敏感千元，因此在測(cè)量中會(huì)出現(xiàn)一定的基地噪聲苫昌，所以在測(cè)量的過程中要對(duì)噪聲做一定的處理。
三幸海、遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角
激光光束的傳播符合雙曲線定律祟身，光束的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散全角
可表示為雙曲線兩條漸近線之間的夾角,光束遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角θ定義為光束遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散全角的一半，通常表示為無(wú)窮遠(yuǎn)處光束束寬和傳輸距離之比的J限物独。
圖3 光束束腰和遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角
表示束腰直徑袜硫，
表示束腰半徑，
表示遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散全角挡篓，由激光光學(xué)可知婉陷，對(duì)基膜高斯光束有
（ 
表示為基膜高斯光束束腰半徑）。由此可見激光束的波長(zhǎng)與束腰半徑和遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角的乘積有關(guān)瞻凤。而在實(shí)際應(yīng)用中憨攒，常用聚焦透鏡的焦距f和此焦距對(duì)應(yīng)的束寬來(lái)計(jì)算遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角的大小世杀，可表示為：
四阀参、瑞利長(zhǎng)度
瑞利長(zhǎng)度通常表示為束腰位置到光束束腰半徑的
倍所對(duì)應(yīng)位置的距離。 在此范圍內(nèi)瞻坝，光束的傳播可以近似認(rèn)為是水平的蛛壳。
圖4 瑞利長(zhǎng)度示意圖
瑞利長(zhǎng)度的物理意義表示為：
（
表示為高斯光束的束腰半徑)杏瞻，b表示為瑞利長(zhǎng)度。
光束質(zhì)量是對(duì)激光器輸出光束特性的質(zhì)的評(píng)價(jià)衙荐，因此對(duì)激光器的設(shè)計(jì)捞挥、制造、檢測(cè)和應(yīng)用等方面有著非常重要的作用忧吟。對(duì)于不同的領(lǐng)域砌函，評(píng)價(jià)光束質(zhì)量好壞的標(biāo)準(zhǔn)也不一樣，例如：激光測(cè)距和準(zhǔn)直的應(yīng)用需要激光光束的方向性好（發(fā)散角辛镒濉）讹俊；激光全息應(yīng)用需要激光光束相干性好，激光手術(shù)和激光印刷等方面的應(yīng)用需要激光束的單色性好等等煌抒。
德國(guó)Cinogy公司作為光束質(zhì)量分析儀生產(chǎn)商仍劈，其產(chǎn)品能滿足UV至NIR波段幾乎所有激光測(cè)量要求。搭配自研軟件RayCi寡壮，配合其獨(dú)特算法和IOS標(biāo)準(zhǔn)能較大的提高光斑的測(cè)量精度贩疙。
RayCi軟件界面示意圖
我公司作為德國(guó)CINOGY產(chǎn)品在中國(guó)大陸的DU家代理商，擁有CinCam-Pico（小型化）,CinCam -cmos(性價(jià)比)况既、CinLine(線性光斑檢測(cè))等諸多款不同類型的光束質(zhì)量分析儀这溅。可滿足不同的應(yīng)用場(chǎng)景棒仍。您可通過點(diǎn)擊我們官方網(wǎng)站查看相關(guān)產(chǎn)品的更多信息芍躏，或者直接來(lái)電咨詢：4006-888-532。
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相關(guān)文獻(xiàn)：
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2.Hodgson N, Haase T, Kostka R, et al. Determination of laser beam parameters with the phase space beam analyser[J]. Optical and quantum electronics, 1992, 24(9): S927-S949.
3.閆宏宇. 高功率半導(dǎo)體激光器的光束特性評(píng)價(jià)[D]. 長(zhǎng)春: 長(zhǎng)春理工大學(xué), 2019.
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