如何使用Dataray Beammap2光束分析仪选型工具

在DataRay光束分析仪系统中的Beam'R2，Beammap2结合了易于使用的直观软件和对光束建模剖析算法，通过DataRay选型工具中的光束分析仪选型工具进行M2的测量计算，从光束参量积BPP的定义中得到光束束腰的大小是否符合仪器配置的选择。本文包括了BeamMap2和Beam'R2系列仪器的电子表格选型和使用Beam'R2光束分析仪和M2DU平台进行M2和发散测量的指南。在DataRay光束分析仪系统中，通过USB 2.0 M2DU附件将DataRay Beam'R2光束分析仪转换为一个紧凑的、符合ISO 11146标准的M2测量系统。M2DU系统由一个消色差透镜组成，该透镜固定在WinCamD所携带的移动平台的前面。该透镜将输入光束重新聚焦到DataRay Beam'R2平台移动范围内的腰部。根据ISO 11146标准，ASR^TM会自动取样测量近场（双曲线的腰部）和远场（z > 2zR）的光束直径。通过Sigma X4方法D4σ直径数据进行最小二乘法双曲拟合，可以计算出聚焦光束和源光束的M2值和相关参数。

光束质量系数M²是一个单位的参数，用于描述实际激光束的不完美程度。M²值越接近于1.0（即光束越接近于TEM00高斯基膜光束），光束就能被聚焦到其衍射限制的光斑大小。在激光加工工艺中往往要求以尽可能小的光斑聚集光束的大部分激光能量，因此激光光束质量M²因子便是一个量化激光聚焦能力的参数：

上述BPP（beam parameter product）是一个恒量的光束参量积，等于束腰半径和远场半发散角的乘积。对于具有最小束腰和发散角的理想高斯光束而言其光束参量积BPP只和波长有关，而实际激光的光束参量积需要乘以M²因子。所以，M²因子数值上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。

在DataRay光束分析仪测量中通过DataRay选型工具对镜头进行选择时，对光束进行建模，确保可以进行准确测量。在DataRay的Beam'R2，Beammap2结合了易于使用的直观软件和对光束建模剖析算法，通过直观光束分析仪选型工具的Excel电子表格中进行简化的镜头选择（图1），在浅蓝色阴影的单元格中输入光束的数值。高斯光学计算的结果出现在深粉色阴影的单元格中，下面出现一条曲线。输出数据字段显示了几个因素，并以黄色突出显示了所需的透镜直径以及将光束腰部置于平台范围内所需的长度。通过M2的测量计算电子表格，进行光束建模可以估计的透镜后光束腰部轮廓；计算出可接受的最大的瑞利范围，所选光束质量分析仪的最小允许的束腰半径光束。

图1 M2的测量计算电子表格

如果光束束腰半径对设备来说太小，或者曲线太平坦，DataRay选型工具数值旁边会出现带建议的警告（图2）。根据光束参量积BPP，选择时需要在激光器的远场处在平台的移动范围内形成一个光束束腰半径。

图2 在选择镜头时正常（左）和警告（右）

在DataRay选型工具的光束分析仪选型工具中对DataRay Beam'R2选择好测量镜头后，通过软件使用M2DU平台和Beam'R2一起工作。对于M2DU装配，如果需要软件计算源光束特性，需要测量这个关键距离——LPPSO(Lens Principal Plane to Sensor at 0)，镜头平面到传感器为零的距离值。灵活的镜头焦距、波长和隔板选项意味着镜头平面到扫描平台的位置并不固定，需要手动输入。另外，测量LD值，即从镜头法兰盘前端到镜头安装支架背面的距离（图3红色双箭头）。

图3 M2DU装配图

将LD值添加到A-Zo Delta中，并在对话框中输入此值作为LPPSO，在“M-squared”对话框中输入镜头标签中的Zo Delta值。启动软件确认后，便出现M²对话框。测量中，正确的对准是成功操作的关键，错位的光束会导致散光和高估M²值。在M2的测量计算中软件会在自动设定的范围内进行60个等距的Z轴点的扫描，每个Z轴位置平均扫描5次。扫描结束后，软件会对数据进行最小二乘法双曲拟合，计算出最终结果（图4）。

图4 自动设置后的M2的测量计算对话框（左）、最终扫描后的M²测量对话框（右）

BeamMap2头的配置是为了适应要处理的光束直径和波长，在DataRay BeamMap2的配置、选择和技术上，圆盘上的主平面间距S可提供50、100、250、500或750微米的间距，另外5毫米的平面间距 BeamMap2 ColliMate，适用于具有几百微米的光束束腰半径。硅、InGaAs或扩展InGaAs传感器，从紫外线至2500纳米的波长范围。对于这么多系列型号，DataRay光束分析仪选型工具可以通过运行一个Excel电子表格（图5），根据您的光束腰带和波长范围来指定适当的DataRay光束分析仪附件配置。

图5 BeamMap2配置的电子表格的正确（上）和错误（下）

注意的是，DataRay BeamMap2仪器上的平面间距不能改变，在平面间距的正确选择上是很重要的。为光束与BeamMap2系列仪器建立模型，通过M2D的测量计算而进行光束建模，在测量前通过光束分析仪选型工具选择好相应的附件配置。