光束质量分析仪的原理与应用

激光光束质量是激光器的一个重要技术指标，它是整个光束在空间中传播的特征。根据ISO标准11146，该参数可由多个测量技术在传播光束的几个点上进行测量。该标准定义了几种测量技术，所有这些技术都是基于使用CCD、刀口和狭缝等设备进行的光束轮廓测量。测量的主要要求有两点:一是聚焦光束的测量，二是准直激光的测量。对于后者，基本的工作原理是通过透镜聚焦入射的激光束，在其相对的两侧形成一个腰部位置和一个发散光束。通过多次扫描和计算0焦点处的束腰和瑞利长度远场发散，可以确定M2测量的精确值。

光束质量测量的重要性

在激光材料加工、印刷、切割、数字信息读写系统等应用中，M2是一个非常重要的因素，因为光束的轮廓和强度分布可以决定材料的整体处理性能或每一卷的数据存储能力。在某些场合，特别是大功率场合，通常用光束参数乘积(BPP)代替M2，即光束束腰处的光束半径和远场光束发散角的乘积。M2因子也包括波长，如下公式所示。最好的光束质量是一个衍射极限的高斯光束，它的M2等于1。

BPP = 0

光束轮廓显示了光束的全部空间特性，包括光束的传播、光束质量和光束的实用性。另外，它还可显示如何高效地调整和修改激光器的输出。在搭建光路或对光学系统进行校准时，如果光束轮廓未知，那么将可能得到不可靠的结果。

光束分析仪的应用领域

1. 激光器制造

对应激光器制造厂商而言，光束质量M2是一个很重要的技术指标。在许多应用系统中，例如流式细胞术、激光印刷、医疗激光、激光切割等，激光器往往作为一个关键部件。通过进行光束分析，测量光束的强度分布，可以表征和改善产品或生产过程，这可以节省大量的时间和降低成本。

2.医学/生物技术领域

流式细胞术光斑整形

在医学和生物技术行业，激光的应用非常广泛。光镊、细胞分拣、DNA测序。这些应用都需要对激光光束进行整形和调整。光束分析仪直接检测光束形状，检测光束能否达到期望值，如果不能，就需要进行实时调整。可校准的光束分析仪对维护和校准这些医疗激光系统都是非常必要的。激光在生物技术中的应用主要是基因组和蛋白质组“芯片实验台”探测器的扫描。这种系统使用激光光束识别（或“读取”）DNA和RNA序列的积木式“字母”或蛋白质的氨基酸成分。光斑质量越好，采样就越小。光束分析仪可以帮助对这一类扫描仪进行最后的微调。

3、激光加工领域

高功率激光在切割、焊接、表面熔覆与合金化、表面热处理、新材料制备等方面得到了广泛应用，其光束特性是影响激光加工质量最重要的因素之一。由于激光能在工件上发射精确的功率密度，大多数高功率焊接和切割激光器都利用了激光的这种精密性。为了保证使用过程中精度的持续性，监控激光的性能非常重要。

在激光材料加工的实际应用中，为了获得高能量密度，都要将激光束进行聚焦。光束质量越好，得到的聚焦焦斑越小；当需要获得相同大小的焦斑时，光束质量越好，可采用的聚焦镜的焦距越长。焦斑大小和形状影响激光焊接的焊缝宽度，而焦深主要影响焊接所应选择的材料厚度。在进行激光加工时，对于某一加工深度有着一个最佳焦距fopt和最佳聚焦直径dopt，如何匹配最佳的光束聚焦系统，是决定加工质量的好坏以及激光器是否处于最佳工作状态的重要因素。

光束的模式特性包括光束质量、光束模式以及光束的横截面能量分布。光束模式决定了聚焦焦点的能量分布，对激光加工具有重要的影响。光束模式的阶次越高，激光束的能量分布越发散，焊接质量越差。

通过合理的光束分析仪，比如Duma公司的高功率BeamOn HP系列光束质量分析仪，就可以测量光束在真实情况下的工作状态。它可以精确地测量在工作台上的光束直径、形状以及功率分布。提供光束直径的数值、椭圆率，以及光斑质心的位置。对激光器、聚焦系统和发散系统所出现的问题都可以提前预警。