美国dataray光束采样器（PPBS）的使用原理

原始光束的功率密度大于光束接收仪器（例如：光斑分析仪）以及ND衰减片的损伤阈值时，会将仪器击穿，美国dataray就这种情况推出了光束轮廓采样器（PPBS）进行预防。这是因为它的损伤阈值会比衰减片的阈值高出很大一部分，PPBS通过内部的两个正交楔形窗口的反射对光束进行采样，只让小部分的光束从输出窗口出射从而能够降低高强度光的功率，并同时保留输入光束的原始偏振以及消除来自每个空气玻璃界面的多个反射的影响。通过在ND衰减片或光斑分析仪前面添加光束采样器（PPBS）并且采用光陷阱将废弃的光束吸收，能够避免高功率的光束将仪器损坏。

光束轮廓仪采样器（PPBS）的使用原理

光束采样器由一对玻璃窗组成，每个玻璃窗都会传输大部分输入光束的能量并将其丢弃或用光陷阱进行吸收，并在每个窗口表面反射一小部分输入光束能量从输出窗口出射以进行测量。每个窗口发生两次反射——每个表面一次，这就导致会有 4 束光束从PPBS的输出窗口出射，但是由于窗口的楔形设计，会将除了要测试的光束外的其他三个光束进行偏移，因此它们不会进入光束分析仪的成像区域。本应用笔记讨论的原始光束、中间光束和采样光束，它专门指的是光束在每个窗口的第一个表面反射形成时的不同位置。注意：在进行处理高功率光束时，要注意废弃光束从窗口出射的处理。

图1 光束分析仪采样器（PPBS）3d模型

第一个窗口：原始光束正常进入到PPBS的输入面，并以45度角入射到第一个玻璃窗口。大部分光束的能量通过第一个窗口传输，并通过PPBS的Residual 1面离开 PPBS，被废弃或者光陷阱吸收。玻璃窗的两个表面各反射一小部分输入光束的能量。光束经过以45度角安装的前表面产生90度（正交）反射角——这是中间光束。由于窗口是3度的楔形，光束通过后表面会产生 96 度的反射角——这是为了让反射光束不到达光束分析区域。光束的s偏振分量的反射百分比比p偏振分量的更大。

第二个窗口：两个窗口之间的中间光束在第二个窗口的前表面进行第一次反射。与第一个窗口的反射相比，第二个窗口反射的偏振效应是相反的。比如，第一个窗口反射的偏振分量占据的百分比大的话，第二个窗口反射的偏振分量占据的百分比就小。反之亦然。由于两个窗口中的偏振效应导致输出光束具有与原始输入光束相同的偏振特性。

安全性

使用任何功率的激光器时，始终遵循适当的激光安全协议，请参阅 ANSI 2135.1。 一定要了解光的路径，包括通过玻璃表面的每一次反射/透射。PPBS 具有三个释放激光辐射的孔径：residual 1、residual 2 和output。预计会有99%的光束功率将通过residual 1面出射，residual 2的输出功率可能低于1%或高达50%，具体取决于材料、波长和输入偏振。需要注意的是光陷阱或任何其他吸收能量的器件表面会很热。

光斑分析仪采样器（PPBS）的类型如下

-UV Fused Silica (190 nm – 2100 nm)

-Barium Flouride (0.2 m – 11 m)

-Calcium Flouride (0.2 m – 8 m)

-Zinc Selenide (0.5 m – 16 m)

光斑分析仪LCM相机和光束衰减器（PPBS）的组装步骤

-使用c口的适配器将光斑分析仪LCM和光斑分析仪衰减器（PPBS）的输出口连接或者通过支架将相机安装在和输出口对准的位置

-安装组件让激光能够进入到光斑分析仪衰减器（PPBS）输入端的中心

-在residual 1窗口后面放置光陷阱进行吸收废弃光束，根据功率大小考虑是否要在residual 2窗口后面放置光陷阱

图2 光束采样器和LCM相机以及光陷阱安装图示

图3 光束轮廓采样器（PPBS）安装尺寸以及光束轮廓采样器（PPBS）的光程为50.5mm

不同材料的衰减系数

因为采样光束是每个玻璃楔的第一个表面反射的结果，所以衰减是根据菲涅耳反射方程计算的。每个表面的激光反射强度取决于波长、偏振、折射率和入射角。由于两个反射是正交的，偏振的净效应被抵消。假设光束垂直入射到 （光斑分析仪采样器）PPBS 的输入面，因此采样的光束输出百分比仅取决于激光的波长和楔形材料。图4显示了每种可用楔形材料的采样百分比与波长的关系，每种材料的波长范围受其传输范围的限制。

图4 不同材料的光束分析仪采样器（PPBS）在微米波段对于激光的采样百分比

图5 不同材料的PPBS在纳米波段对于激光的采样百分比

S偏振和P偏振的介绍

激光的输出通常是偏振的，有时保持这种偏振对于光束轮廓测量很重要。极化定义了电场振荡的方向。为了解释的简单，我们将考虑线性偏振光，其中电场被限制在沿传播方向的单个平面内

光束的偏振方向可以分为两个矢量分量。这些有时表示为X和Y分量，例如100% X偏振光束的电场会在水平面上振荡。但是当考虑偏振如何影响表面反射时，将偏振方向与入射平面联系起来是很方便的。

图6 激光从反射表面反射的入射面

平行于入射平面振荡的电场分量称为p极化分量（德语单词parallel），垂直于入射平面振荡的电场分量称为s极化分量（德语单词senkrecht表示垂直）。

根据菲涅耳方程，以一定角度入射到表面的s偏振光将比p偏振光反射更多。这意味着任何对光束的单次反射进行采样的衰减器都会改变光束的偏振。PPBS对两个正交反射进行采样，从而抵消了偏振修改效应。

多重反射的处理

来自光斑分析仪采样器（PPBS）的采样光束是每个玻璃楔的第一次表面反射的结果。然而，由于每个空气玻璃界面都会发生反射，因此实际上有四束光束离开PPBS的输出面。

光束衰减器（PPBS）中的玻璃光学器件采用3度楔角设计，既可消除光学干涉标准具效应，又可抵消来自背面的额外反射。楔角越大，多次反射之间的偏移和角度越大。0.5度的楔角会导致额外的反射干扰测量。PPBS使用一个3度的楔角来抵消反射，使其落在传感器区域之外。摄像机也可以安装在离PPBS更远的地方，这样多重反射就会偏移更大的距离。注意：这些杂散反射具有与采样光束大致相同的功率。