在线光束质量分析仪，实时光束轮廓分析仪，产线M2仪

在激光应用中，聚焦激光束的光束质量分析是比较重要，尤其是实时光束测量，如流式细胞仪、激光打印、医疗激光和切割激光等一些加工应用上。通过在线光束质量分析仪，对激光光束通过诊断方法进而控制加工聚焦光束质量在很多激光器应用中是比较重要的，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。

光束质量分析中是通过光束轮廓和强度决定的，便是M2值的反映，M2值是特定波长的衍射极限光束归一化处理后的光束参数乘积（beam parameter product，BPP）所推导得到，即光束腰部的光束半径与远场光束发散角的乘积：

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（强度矩量分析法的D4σ直径轮廓特征）的光束直径大小（m），F是在所对应波长下的镜头焦距（mm）。

评价激光光束质量最为系统的指标是光参数积，即激光的光束直径与其远场发散角的乘积（BPP），即准确测量光束直径和远场发散角，对于传统的XY单平面轮廓仪来测量和调整聚焦光束是很耗时的，每次测量都需要重新调整Z轴。在对光束进行测量和对准聚焦之前，激光束可能不会聚焦到在z=0处、可能出现位置和角度的对准错位、可能既不符合束腰直径，也不符合功率规格、可能有M2大于规格等的问题出现。在线光束质量分析仪中，能加够快和简化激光装配、实时对准、对多个Z面XYZΘΦ能力的USB 2.0端口供电的DataRay的BeamMap2的在线光束质量分析仪是很有必要的。BeamMap2在线光束质量分析仪，叫实时光束轮廓分析仪、产线M2仪、实时M2仪，旋转“圆盘”上的多个Z平面中具有XY狭缝对（图1），进行多平面光束剖析，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。

图1 BeamMap2示意图，其中S是Z面间距的基值，为250μm

BeamMap2实时M2仪能够测量和纠正激光光束聚焦和对准误差出现的常见问题，且达到微米级精度。如果这些测量平面在焦点位置周围，即使不在焦点处，BeamMap2也可以：

•测量光束的轴向偏差（指向性）

•以X、Y和Z表示测量的焦点方向

•得出焦点位置处的束腰直径（精确到微米）

•实时测量M2或光束发散

•同时测光束质量和位置

•以5Hz的更新率进行实时对准

图2 在X、Y和Z方向上对准的光束

BeamMap2实时M2仪是紧凑型(2.65” x 2.65” x 2.4”)的、获得专利的唯一的商用多平面光束分析头。DataRay软件中使用的BeamMap2的屏幕截图如下所示。可以看到，有四个不同z位置的多平面光束剖析，四个同步的光束轮廓以5Hz的更新率对，同时测光束质量和位置，所以也是实时光束轮廓分析仪的明显特点。软件显示，该光束在X、Y和Z方向的聚焦是正确的，该光束的M2值为1.47。

图2 z轴上四个x面的直径和轮廓

DataRay开发了特定的狭缝用于BeamMap2实时M2仪可以测量的低瑞利范围的小光束。相对于在Z方向上最好的也只有6μm厚的标准狭缝扫描仪中的传统"空气"狭缝，这会导致降低焦点测定的准确性。True2D™狭缝是在半导体级的抛光蓝宝石衬底上沉积的多个涂层，总层厚度约为0.4μm，比最好的传统空气狭缝薄了一个数量级，从而大大提升焦点测定的准确性，且导热的蓝宝石衬底支持高辐射强度的聚焦光束精确剖面。

独特的、获得专利的BeamMap2实时M2仪简化了典型的激光装配校准，将多个组件设置为同一焦点，加快了聚焦和对准的实时诊断，在短时间内便可获得光束聚焦和对准的实时指导，特别是在在线光束质量分析仪应用中的实时光束测量。对于激光加工生产产线应用上，无疑是产线M2仪的相当大的优势，可以以5Hz的更新率来同时测光束质量和位置。在对光束精确对焦之前，BeamMap2将测量光束指向，指出当前的对焦方向，估计光束腰部直径，并实时估计M2和/或光束发散。然后，系统通过实时图像和彩色编码反馈（继续调整，直到看到绿色），指导用户将光束精确地聚焦到需要的位置。对于光束的直径要求，都有BeamMap2的配置可供选择，甚至是几微米直径的光束。硅、InGaAs和扩展的InGaAs探测器覆盖了从紫外到2500纳米的范围。