Beammap2测量参数、软件参数和各物理量的含义

在很多激光器应用中，对激光进行光束诊断，进而控制加工聚焦光束质量比较重要的，如果可以控制光束质量，就可以得到更加一致的光束加工质量。激光的直径和强度分布可通过光束轮廓分析仪测量，高斯光束传播时，每个截面的光束形状都是高斯形，但从束腰到远场的强度的轮廓的平坦趋势会越来越高。很多激光加工应用中，往往要求以尽可能小的光斑聚集所有的激光能量，而M²因子便是一个量化激光聚焦能力的参数：

上述BPP（beam parameter product）为光束参量积，它是一个恒量，等于束腰半径和远场半发散角的乘积。对于理想高斯光束而言具有最小束腰和发散角，其光束参量积只和波长有关，而实际激光的光束参量积需要乘上M²因子。所以，M²等于实际光束参量积除以同波长高斯光束参量积的比值，M²因子的含义上是相当于实际光束与高斯光束的接近程度。高斯光束的M²为1，而实际光束质量越差，而光束参量积越大，M²越大。当高斯光束通过透镜时，输入光束的远场光束发散角可以通过测量距透镜后焦距处的光束直径来确定：Θ = 2W/F mrad，其中2W是测量平面内测量的二阶矩（D4σ直径）的光束直径大小（m），F是在所对应波长下的镜头焦距（mm）。其中，强度矩量分析法的D4σ直径值计算整合了剖面中总能量的99%以上，也就是Sigma X4方法。在ISO11146标准中，推荐用于任意的光束的轮廓特征，包括高阶模光束为了允许任何基线倾斜，因为对于一个纯高斯的光束轮廓直径的定义与选择13.5%的光束直径是相同的，但是如果光束是非高斯的，Sigma X4方法中得到的D4σ直径二阶矩所计算的直径值比较适合，就像许多光束一样，中心两侧的零级会被单独处理，从中心点开始的整合是针对中心点两侧的99%的能量单独进行的。

DataRay的BeamMap2代表了一种完全不同的实时X、Y、Z、Θ、Φ光束剖析方法。标准狭缝扫描仪在光束和检测器之间仅有单个平面上的平移 XY 狭缝对，而USB2.0端口供电的BeamMap2，其在旋转“圆盘”上的多个Z平面，在不同的Z轴位置安装4对狭缝，从而实现实时、多平面测量，可测量多个Z平面XY轮廓并计算直径和质心，以便实时确定和调整。如图1，在BeamMap2示意图中，S是Z面间距的基值，标准的Z面间距为250微米。

图1 BeamMap2示意图

DataRay的BeamMap2圆盘上的4对XY狭缝围绕平行于Z轴旋转，满足了ISO 11146标准的正交线性扫描要求。4对狭缝被精确地定位在焦点区域的多个平面上，以Z字形分开。相邻狭缝的径向位置成45度。在有效狭缝宽度上，比实际宽度大√2倍缝隙宽度。

BeamMap2在进行第一次扫描时，软件检测到13.5%的光束直径边缘，然后设置一个系数大约是三倍1/e²光束直径的值进行扫描，其扫描过程中的宽度被分为2048个等距的样本，光束的扫描强度由一个12位（4096级）ADC（模数转换器）进行数字化处理并通过软件分析。该软件确定数字化配置文件中的零级，然后进行显示和数据记录处理。它将强度信息反馈给AGC(自动增益控制）。

用户可根据需要配置屏幕功能来进行实时测量。在软件界面设定中，设定合格/不合格标准，加上实时结果，促进了其作为开发和生产对准工具的使用。BeamMap2独特地被适用于紧密聚焦的激光束的主动对准聚焦和验证。

在DataRay的BeamMap2测量参数的M²设置对话框中，Clip[a]光束直径定义必须设置为Sigma x4方法，也就是D4σ直径。平均值应至少设置为5。如下图2的设置软件对话框，所涉及的BeamMap2参数说明，波长必须在设置菜单中正确输入。束腰需要最接近"zero"测量平面，Zo/Zr < 0.20。

图2 BeamMap2的M²设置对话框

•M：对于TEM00高斯光束来说等于1.0，对于一般光束来说>1.0。

•2Wo：束腰的直径

•Zo：相对于仪器零平面的光束腰位置，负值意味着光束腰更接近仪器的前端。

•Zr：光束的瑞利长度范围

•Pt：光束指向角，单位为mrad，也称为瞄准或内视

•Phi: 光束的远场发散角，Φ

•NA：光束的远场数值孔径。NA = sin(φ /2) = 1/2(F/#)

Zo值是计算出的零面与焦点的距离。对于u和v来说，它经常是不一样的。计算出的Zo/Zr，只针对u轴，系统通过实时图像和彩色编码反馈显示在一个颜色变化的条形图中。在BeamMap2测量参数上，对于准确的M2估计，条形图应该是绿色的，表示Zo/Zr < 0.20。[0.20< Zo/Zr < 0.40时为黄色。如果Zo/Zr > 0.40，则为红色。当焦点不在零平面时，曲线的底部将偏离中心，此时Beammap2参数的Zo/Zc值将显示为红色，而得到的M2值则无效。如图3，左边M2的测量是有效的，因为第二个狭缝平面落在腰部。而右边的M2的测量是无效的，因为腰部不在第二个狭缝平面。

图3 M2测量值的有效（左）和无效例子（右）

在对光束质量分析的ISO11146标准要求上，对十个平面上进行测量，可以更好做到实时估计M2。另外，在优化选择焦点位置时，建议在BeamMap2测量参数软件界面设置中：可关掉平均数；看一下拟合的曲线，将最小值设置在图的中心位置；聚焦后，将平均数重置为至少是5。

在调焦中，关于BeamMap2参数说明上，注意：

•束腰离零平面太远而导致“Zo/Zr”框不是绿色的；

•光束在x,y中不居中，并从探测器边缘"falls off"；

•“Clip[a]”没有设置为4xSigma；

•光束有噪音，4xSigma值的计算被噪音破坏。尝试13.5%的光束直径进行；

•束腰直径对于单位平面间距来说过大（或过小），比如Zr>平面间距/12（或<平面间距/1.5）；

•光束在是否下工作

无论您的光束需求是什么，甚至是几米直径的光束，都有BeamMap2的配置可供选择。硅、InGaAs和增强InGaAs探测器覆盖了从紫外到2500纳米的范围。DataRay的BeamMap2将极大地加快对激光光束聚焦和对准错误的实时诊断。