光束質量分析儀的原理與應用

激光光束質量是激光器的一個重要技術指標，它是整個光束在空間中傳播的特征。根據ISO標準11146，該參數可由多個測量技術在傳播光束的幾個點上進行測量。該標準定義了幾種測量技術，所有這些技術都是基于使用CCD、刀口和狹縫等設備進行的光束輪廓測量。測量的主要要求有兩點:一是聚焦光束的測量，二是準直激光的測量。對于后者，基本的工作原理是通過透鏡聚焦入射的激光束，在其相對的兩側形成一個腰部位置和一個發(fā)散光束。通過多次掃描和計算0焦點處的束腰和瑞利長度遠場發(fā)散，可以確定M2測量的精確值。

光束質量測量的重要性

在激光材料加工、印刷、切割、數字信息讀寫系統(tǒng)等應用中，M2是一個非常重要的因素，因為光束的輪廓和強度分布可以決定材料的整體處理性能或每一卷的數據存儲能力。在某些場合，特別是大功率場合，通常用光束參數乘積(BPP)代替M2，即光束束腰處的光束半徑和遠場光束發(fā)散角的乘積。M2因子也包括波長，如下公式所示。最好的光束質量是一個衍射極限的高斯光束，它的M2等于1。

BPP = 0

光束輪廓顯示了光束的全部空間特性，包括光束的傳播、光束質量和光束的實用性。另外，它還可顯示如何高效地調整和修改激光器的輸出。在搭建光路或對光學系統(tǒng)進行校準時，如果光束輪廓未知，那么將可能得到不可靠的結果。

光束分析儀的應用領域

1. 激光器制造

對應激光器制造廠商而言，光束質量M2是一個很重要的技術指標。在許多應用系統(tǒng)中，例如流式細胞術、激光印刷、醫(yī)療激光、激光切割等，激光器往往作為一個關鍵部件。通過進行光束分析，測量光束的強度分布，可以表征和改善產品或生產過程，這可以節(jié)省大量的時間和降低成本。

2.醫(yī)學/生物技術領域

流式細胞術光斑整形

在醫(yī)學和生物技術行業(yè)，激光的應用非常廣泛。光鑷、細胞分揀、DNA測序。這些應用都需要對激光光束進行整形和調整。光束分析儀直接檢測光束形狀，檢測光束能否達到期望值，如果不能，就需要進行實時調整。可校準的光束分析儀對維護和校準這些醫(yī)療激光系統(tǒng)都是非常必要的。激光在生物技術中的應用主要是基因組和蛋白質組“芯片實驗臺”探測器的掃描。這種系統(tǒng)使用激光光束識別（或“讀取”）DNA和RNA序列的積木式“字母”或蛋白質的氨基酸成分。光斑質量越好，采樣就越小。光束分析儀可以幫助對這一類掃描儀進行最后的微調。

3、激光加工領域

高功率激光在切割、焊接、表面熔覆與合金化、表面熱處理、新材料制備等方面得到了廣泛應用，其光束特性是影響激光加工質量最重要的因素之一。由于激光能在工件上發(fā)射精確的功率密度，大多數高功率焊接和切割激光器都利用了激光的這種精密性。為了保證使用過程中精度的持續(xù)性，監(jiān)控激光的性能非常重要。

在激光材料加工的實際應用中，為了獲得高能量密度，都要將激光束進行聚焦。光束質量越好，得到的聚焦焦斑越小；當需要獲得相同大小的焦斑時，光束質量越好，可采用的聚焦鏡的焦距越長。焦斑大小和形狀影響激光焊接的焊縫寬度，而焦深主要影響焊接所應選擇的材料厚度。在進行激光加工時，對于某一加工深度有著一個最佳焦距fopt和最佳聚焦直徑dopt，如何匹配最佳的光束聚焦系統(tǒng)，是決定加工質量的好壞以及激光器是否處于最佳工作狀態(tài)的重要因素。

光束的模式特性包括光束質量、光束模式以及光束的橫截面能量分布。光束模式決定了聚焦焦點的能量分布，對激光加工具有重要的影響。光束模式的階次越高，激光束的能量分布越發(fā)散，焊接質量越差。

通過合理的光束分析儀，比如Duma公司的高功率BeamOn HP系列光束質量分析儀，就可以測量光束在真實情況下的工作狀態(tài)。它可以精確地測量在工作臺上的光束直徑、形狀以及功率分布。提供光束直徑的數值、橢圓率，以及光斑質心的位置。對激光器、聚焦系統(tǒng)和發(fā)散系統(tǒng)所出現的問題都可以提前預警。