作者： 时间：2021-11-22
DataRay狭缝光束分析仪——Beam'R2，Beammap2仪器在进行光束质量分析的过程中，被测量的光束采集、测量区域、光束能量限制、DataRay损伤阈值受到探测传感器的面积大小的限制。在光束能量限制上，在整个光束波长关系上并不是平坦的成比例关系的，而是成对应的系数比例关系，从而决定所使用的激光的功率密度和损伤阈值大小。
在扫描狭缝系统在光束分析的应用中，正因为被测量的光束采集和测量区域会受到探测传感器的面积大小的限制，所以DataRay损伤阈值有限制值。在DataRay狭缝光束分析仪的传感器中限制的最大光束直径大小上，Si传感器为5毫米，InGaAs传感器为3毫米，InGaAs扩展波长的传感器为1.5毫米。为了在光束分析中获得准确的光束轮廓，被测量的光束需要完全位于获取和测量区域内。如果部分入射的测量光束位于对应传感器的区域之外，这时候中心点位置的数据可能就测不出来或无效。为了获得最精确的测量，测量中需要将光束的中心放在“[x,y]=[0,0]”处，因为光束位置的指向性偏差会向边缘增加。为了在1/e2光束直径处准确地测量光束，光束直径应该是光束测量区域尺寸的50%的60%。测量的ISO标准还要求应进行五次采样的平均化，D4σ直径的测量积分被软件截断在光束能量的99%处，对振幅噪声的敏感度更低。
对于DataRay狭缝光束分析仪的光束能量限制，使用前应对被测量的光束进行能量确认，特别是DataRay损伤阈值上的光束功率的限制。如图1，没滤光片（左）和有ND2（1%）滤光片（右）的光束能量剖面图效果对比。
图1 没有滤片（左）和有ND2（右）的光束能量剖面图
如果需要更高的功率，可以对应选择使用衰减片，最高可达ND4（0.01%）。因为对于DataRay狭缝光束分析仪的光束能量限制上，DataRay损伤阈值：
•总功率不能超过1W，否则可能发生设备/狭缝损坏；
•光束波长λ>500nm的功率密度不得超过设备所能承受的最高功率密度0.5 mW/µm2（光束直径mm），否则可能发生狭缝损坏；
•光束波长λ<500nm的功率密度不得超过0.25 mW/µm2（光束直径mm）乘以图2对应的出的纵坐标系数值，否则可能发生狭缝损坏；
•注意缝隙中的反向反射，采用激光防护眼镜对眼睛保护；
在光束能量限制于光束直径的关系上，Si，InGaAs分别在675nm参考波长、1310参考波长所对应的光束能量光束波长的上限和下限系数的参考对比。对于其他波长，用图2所示的对应纵坐标系数值乘以相应数值。因为狭缝光束分析仪的光束能量限制在整个光束波长关系上并不是平坦的，但它是相当接近的。例如Si传感器的饱和度在500nm和1064nm之间的系数~1.05和0.6之间变化，并不是一个很大的差异。
图2 光束功率限制与Si、InGaAs的光束波长参考对比
由于狭缝入射光束能量的限制，在较低的光束直径下，较高的光束能量只能通过外部衰减器/采样器来实现。在较低的光束能量上，通过使用Knife Edge (KE)模式，用于小光束测量，可以获得更高的灵敏度。效果上对于Si传感器灵敏度增加了x20。对于InGaAs传感器灵敏度增加了10倍。
下面的图表展示了BeamMap2/Beam'R2产品在没有额外外部衰减的情况下可以测量的功率与光束直径的近似范围。对于BeamMap2/Beam'R2，由于以下原因，导致的光束能量限制的范围线不是直线：
•1瓦的总功率形成了一个光束能量限制上限；
•设备前置放大器的所允许通过狭缝的功率的上限所对应的光束直径低至10μm左右；
•然而，光束大直径在几微米时会遇到狭缝损坏的光束能量阈值限制；
•狭缝光束分析仪的光束能量限制值取决于传感器的大小
图3 Si、InGaAs分别在675nm、1310nm光束的BeamMap2/Beam’R2极限值
对于狭缝光束分析仪的测量，在狭缝式扫描中，束直径应至少比狭缝宽度大3倍，最好是5倍，狭缝的长度应该是光束直径的两倍；在刀口式扫描中，光束直径应至少比狭缝宽度小3倍，有效的狭缝宽度是0.087μm的间距。当缝宽度接近光束直径时，应在软件上对狭缝宽度进行校正，DataRay会自动补偿狭缝直径的读数。否则，当狭缝宽度与光束直径之比（s/2w）为25%的1/e2光束直径时，高斯光束的误差将接近5%。对狭缝宽度的简单修正（平方差），误差降降低到1.35%；在(s/2w)比高达0.70时，误差为1%。这种对误差的补偿是狭缝在高斯光束和平顶分布上移动的模拟。
所以，关于狭缝光束分析仪的光束能量限制，在使用设备前先用功率计验证光束源的入射功率，以确保在DataRay损伤阈值的允许范围内。另外，使用上面图2中出的曲线系数关系来确定对光束是否需要增加额外的采样/衰减，以避免对狭缝的损害。
