浅析激光光束质量分析仪

光束分析仪的常见应用

在医学、工业生产、激光打印、激光打标、激光焊接、激光切割以及光纤通信等多种激光应用领域，光束质量分析为激光器的有效使用提供了很多有价值的信息。在实际测量中，光束分析应用广泛。光束轮廓显示了光束的全部空间特性，包括光束的传播、光束质量和光束的实用性。另外，它还可显示如何高效地调整和修改激光器的输出。光束轮廓在搭建激光打印机和光纤对准的光学系统时非常有用，如果光束轮廓未知，那么激光将很难甚至不能投入使用。APD5100J 激光光束分析仪 主要检测 激光二极管，脉冲激光器 VCSEL激光和 发光二极管 的光斑光束质量测定 波长擴展到短波400NM-1700NM
德国Cinogy公司超高性价比的CinAlign系列光束分析仪（低至1.5万）通过标准USB2.0接口与电脑连接。光斑分析软件，可同时显示2D/3D激光光斑分布；可测量光斑直径，光斑指向稳定性，光斑几何中心位置，椭圆度分析等参数。

1.激光制造业

对于传统的激光器制造商而言，光束质量分析已成为标准技术。均匀散射激光束的品质由以下参数定义：衍射极限倍数因子M2，或它的倒数k因子。
M2或k因子给出了激光光束聚焦程度的理论测量方法。这对评价不同应用领域的光束好坏非常重要。M2或k=1表示理想的衍射光束。换句话说，它直接与波长和透镜系统的衍射极限相关，和激光本身没有任何关系。
激光二极管和垂直腔面发射半导体激光器（VCSEL）都是半导体激光器，有着比近轴光束更大的发散角。从典型的激光腔中检测这类激光非常困难。通常重要参数包括：功率输入-光强输出曲线（称为LI或LIV曲线）、光束的光谱以及发散角。由于半导体激光器的发散角较大，需要用透镜聚焦得到可用光束。通过光束形状和发散特性，能够得出光学设计中设备的工作情况。LI曲线可以提供激光器的输出效率，并能探测到二极管生产工艺中的任何瑕疵。二极管激光器的波长由晶格的物理结构以及它怎么构成激光腔决定，因此，二极管激光器系统不仅需要测量LI曲线和发散角轮廓，还需要进行光谱测试。

2.医学/生物技术领域

在医学和生物技术行业，激光的应用非常广泛，从光手术刀到读取DNA芯片遗传密码的扫描仪。这些应用都需要对激光光束进行整形和调整。光束分析仪直接检测光束形状，观测光束能否达到期望值，如果不能，就需要进行实时调整。美国FDA和国家卫生管理机构对医疗器械的测试有严格的要求。符合“生产质量管理规范”（GMP）和“非临床研究质量管理规范”（GLP）是最根本的要求。为保证医疗设备的性能，这两个规范都要求进行可重复和可追踪测试。不管是Lasik眼科手术、腹腔镜手术中使用的光手术刀，还是其他病人护理中的激光器，可追踪、可校准的光束分析仪对维护和校准这些医疗激光系统都是非常必要的。激光在生物技术中的应用主要是基因组和蛋白质组“芯片实验台”探测器的扫描。这种系统使用激光光束识别（或“读取”）DNA和RNA序列的积木式“字母”或蛋白质的氨基酸成分。光斑质量越好，采样就越小。光束分析仪可以帮助对这一类扫描仪进行最后的微调。

3.制图和印刷工业

激光印刷工业最早利用光束分析仪来设计和制造激光打印机的核心部分——激光扫描单元（LSU）。这需要了解系统的光斑尺寸、阵列以及光束摆动对激光打印机的影响，并做进一步的改进。激光打印机行业的市场竞争非常激烈，因此降低LSU的生产成本极为重要。尽管如此，每一个LSU都必须进行调整和测试以确保正确运行。常规的LSU测试时间大约需要20分钟，一种新的仪器测量技术可以把测试时间减少到几秒。LSU的生产能力由此增加了十倍以上，因此测试成本得到显著降低。

4.条形码扫描和光存储

条形码扫描和光存储技术利用激光光束读写信息。与生物扫描技术和激光打印一样，光束越小，读写信息越精确。然而，为了让扫描仪处在方便的工作距离范围之内，条形码读取器需要光束的操作范围非常长。光束的束腰区域的长度称为瑞利范围，就是光束直径的区域，这里D0称为光腰，或称为光束最小直径。
光束分析仪可以直接测量和调整光束达到长瑞利范围，以保证扫描仪的良好性能。另一方面，对于光存储，光束通常被优化为一个非常小的光斑。光存储激光器的焦点非常关键，因为光斑大小和瑞利范围成反比。
对于比较小的光斑，发散角必须足够大；对于发散角较小（比如长瑞利范围、准直光束）的情况，光腰值必须大。

5.焊接和切割领域

由于激光能在工件上发射精确的功率密度，大多数高功率焊接和切割激光器都利用了激光的这种精密性。为了保证使用过程中精度的持续性，监控激光的性能非常重要。现在通常所采用的处理方法是检测瑕疵处，或者监控未聚焦光束和推断聚焦光束的性能。
但这两种方法都不是最佳解决方案。首先，为了了解激光是否正常工作，需要浪费材料和时间制造一个缺陷，有时缺陷还很难被探测到，只有在激光加工过程中才能被探测出来，这样就产生了额外费用，增加了废弃和返工的可能。监控最初的激光束的缺点是只检测了激光器，而不是实际的光学系统，它不能告诉您下一步怎么处理半成品。通过设计合理的狭缝扫描光束分析仪，比如德国Cinogy公司光束质量分析仪，就可以测量光束在真实情况下的工作状态。它可以精确地测量在工作台上的光束直径、形状以及功率分布。提供光束直径的数值、椭圆率，以及光斑质心的位置。对激光器、聚焦系统和发散系统所出现的问题都可以提前预警。

光束质量分析仪常见参数定义与常见问题汇总

曝光时间（Exposure Time）:

指的是全局快门打开，图像感应器被暴露出来的这一段时间。对于连续光源，曝光时间与图像亮度呈线性关系。增加曝光时间就会增加亮度，反之亦然。

增益系数（Gain Factor）:

表示CCD或CMOS感应器与AD转换器之间的电子学放大器的线性放大系数。较高的增益可以使图像亮度增加但同时也增大了图像噪声。因此，强烈推荐通过控制曝光时间来对亮度进行调节。

自动曝光功能（Auto Exposure control ）：

光束质量分析相机的曝光控制包括对曝光时间和电子学增益的调节。这两个设置决定了相机的灵敏度，使其适合于实际的光束功率以便确保相机的模拟数字转换器可以对几乎整个幅度范围进行测量。

图像饱和度（Image Saturation）：

图像饱和度由图像中强度最高的一点决定，表现为其占有效量程的百分比（%）。有效量程指的是从dark level到AD转换器最大值的范围。建议将图像饱和度保持在一个较高的水平以便可以充分利用AD转换器的分辨率。

数模转换率，也称灰度：(AD converter or bit depth）

8192位对应14比特图像数据，Cinogy公司所有CinCam CCD系列光束分析仪（包括CinCam CCD-35系列35mm大口径光束光束分析仪）的数模转换率均为14bit，4096位对应12比特图像数据，2048位对应10比特图像数据，256位对应8比特图像数据，CinCam CMOS系列光束分析仪采用8/10比特图像数据

相机型光束分析仪的动态范围

即饱和输出电压/暗电流输出电压， 全井容量 / 噪声，Dynamic range = Full well capacity / read noise)

binning：

设置平均像素的数值，可以降低噪声。做binning以后，会提高满阱容量，但读出噪声不变，这样就会相机的提高动态范围。

多帧图像平均（averaging over frames）:

设置平均多帧的数值大于1可以降低噪声。此功能在光强或光束形状不稳定的情况下非常有用。特别是在光强较弱的时候，利用该功能可以抑制光束分析仪的噪声。

3D结果图形的显示：

实体轮廓最易于观察，但是也要求更长的计算时间，对帧频率有一定的限制。选择网状格式有利于提高显示速度（3D图像的刷新率）。

UV-NIR光束分析仪（150-1700nm）

德国Cinogy公司设计生产的CinCam系列的相机全部使用其独特卓立的‘CinCam’算法和技术，优化了UV至NIR波段的响应效率，包含CMOS/CCD/InGaAs相机。由于其高的分辨率和小的像素尺寸，‘CinCam’确保了在对连续和脉冲激光光束测量分析时的高准确度。其即插即用的设计保证了设备的易兼容性和操作的简易型。此外Cincam光束分析仪通用的C/F-Mount接口设计，使外加衰减片、扩束镜、紫外转换装置、红外转换装置更为方便。

CinCam CMOS系列相机：

主要特点：

高分辨率：像素尺寸最小可达2.2um

高帧频高动态范围的实时监控光束：帧频最大可达100Hz

USB2.0/3.0接口

不同的软件版本可供选择：Lite，Standard，Pro版RayCi分析软件

成本低，性价比高

主要技术指标：

相机型号     CMOS-1201     CMOS-1202     CMOS-1203     CMOS-1204    

口径规格     1/2’     1/1.8’     1/1.8’     1/2.5’    

响应波长范围
-RT
-UV
-OM
-IR     400-1150nm
320-1150nm
<150-1150nm
-
400-1150nm   +
1470nm-1605nm     400-1320nm
320-1320nm
<150-1150nm
240-1150nm
400-1150nm   +
1470-1605nm     400-1320nm
320-1320nm
<150-1150nm
240-1150nm
400-1150nm   +
1470-1605nm     400-1150nm
320-1150nm
<1150nm
-
400-1150nm   +
1470-1605nm    

通光孔径     6.7mm   x 5.3mm     6.8mm   x 5.4mm     7.2mm   x 5.4mm     5.7mm   x 4.3mm    

像素     1280   x 1024     1280   x 1024     1600   x 1200     2560   x 1920    

像素尺寸     5.2um   x 5.2um     5.3um   x 5.3um     4.5um   x 4.5um     2.2um   x 2.2um    

接口     USB2.0    

相机型号     CMOS-1201-Nano     CMOS-1.001-Nano    

口径规格     1/1.8’     1’    

响应波长范围
-RT
-UV
-OM
-IR     400-1320nm
320-1320nm
<150-1150nm
240-1150nm
400-1150nm   + 1470-1605nm     400-1320nm
320-1320nm
<150-1150nm
-
400-1150nm   + 1470-1605nm    

通光孔径     6.8mm   x 5.4mm     11.3mm   x 11.3mm    

像素     1280   x 1024     2048   x 2048    

像素尺寸     5.3um   x 5.3um     5.5um   x 5.5um    

帧频     Up   to 40Hz     Up   to 100Hz    

机械尺寸     29mm   x 29mm x 20mm     29mm   x 29mm x 24mm    

接口     USB3.0    

CinCam CCD系列相机：

主要特点：

高分辨率的被动风冷式的探测器

高帧频高动态范围的实时监控光束

像素高达16Mpixel

工业标准的FireWire 1394 b / GigE接口

不同的软件版本可选：Standard，Pro版RayCi分析软件

主要技术指标：

相机型号     CCD-1201     CCD-1301     CCD-2301     CCD-2302    

口径规格     1/2’     1/3’     2/3’     2/3’    

响应波长范围
-RT
-UV
-IR     400-1150nm
320-1150nm
<150-1150nm
400-1150nm   +
1470-1605nm     400-1150nm
320-1150nm
<150-1150nm
400-1150nm   +
1470-1605nm     400-1150nm
320-1150nm
<150-1150nm
400-1150nm   +
1470-1605nm     400-1150nm
320-1150nm
<150-1150nm
400-1150nm   +
1470-1605nm    

通光孔径     6.5mm   x 4.8mm     4.8mm   x 3.6mm     9.0mm   x 6.7mm     8.mm x   7.1mm    

像素     1388   x 1038     1292   x 964     1388   x 1038     2452   x 2056    

像素尺寸     4.65   x 4.65um     3.75   x 3.75um     6.45   x 6.45um     3.45   x 3.45um    

相机型号     CCD-3501     CCD-3502     CCD-1.001     CCD-1.201    

口径规格     35mm   CCD     35mm   CCD     1’     1.2’    

响应波长范围
-RT
-UV
-OM     400-1150nm
320-1150nm
<150-1150nm
240-1150nm       400-1150nm
320-1150nm
<150-1150nm
240-1150nm       400-1150nm
320-1150nm
<150-1150nm
240-1150nm       400-1150nm
320-1150nm
<150-1150nm
240-1150nm    

通光孔径     36mm   x 24mm     36mm   x 24mm     15.2mm   x 8mm     15.2mmx15.2mm    

像素     4008   x 2672     4872   x 3248     1920   x 1080     2048   x 2048    

像素尺寸     9um   x 9um     7.4um   x 7.4um     7.4um   x 7.4um     7.4um   x 7.4um    

CinCam InGaAs系列相机：

主要特点：

900-1800nm

高分辨率的TE冷却探测器

高帧频高动态范围的实时监控光束

工业标准的GigE接口

不同的软件版本可选：Standard，Pro版RayCi分析软件

主要技术指标：

相机型号     InGaAs-320     InGaAs-640    

口径规格     1’     1’    

响应波长范围     900-1800nm     900-1800nm    

通孔径     9.6mm   x 7.7mm     9.6mm   x 7.7mm    

像素     320   x 256     640   x 512    

像素尺寸     30um   x 30um     15um   x 15um    

量子效率     >70%   (1000nm - 1064nm)     >70%   (1000nm - 1064nm)    

像素利用率     >99.5%     >99.5%    

探测器冷却     TEC   (stabilized +5°C, -20K relative)     TEC   (stabilized +5°C, -20K relative)    

接口     GigE    

大口径光束分析仪--相机口径可达35mm

德国Cinogy公司可以提供大口径CMOS/CCD相机，其中最大口径的CCD相机可达35mm，像素达到惊人的16Mpixel。是各种各种大光斑激光器及画线激光器光束测量的必不可少的工具。此外Cincam光束分析仪通用的C/F-Mount 接口设计，使外加衰减片、扩束镜、紫外转换装置、红外转换装置更为方便。

主要技术指标：

相机型号     CinCam CCD-3501     CinCam CCD-3502    

波范围     400~1150nm     400~1150nm    

口径规格     35mm   CCD     35mm   CCD    

通光孔径     36mm   x 24mm     36mm   x 24mm    

像素     4008   x 2672 (11Mpixel)     4872   x 3248 (16Mpixel)    

像素大小     9um   x 9um     7.4um   x 7.4um    

相机型号     CinCam CCD-1.201     CinCam CMOS-1.001-Nano    

波长范围     400~1150nm     400~1150nm    

口径规格     1.2’     1’    

通光孔径     15.2mm   x 15.2mm     11.3mm   x 11.3mm    

像素     2048   x 2048     2048   x 2048    

像素大小     7.4um   x 7.4um     5.5um   x 5.5um    

分析软件     RayCi-Lite/Standard/Pro    

超宽波段中红外光束分析仪，1.5um~8um！

LaserDec CR200系列的中红外光束分析仪（MIR）为德国CINOGY专为客户提供的用于测量中红外波段的激光器，主要用于测量IR波段连续和脉冲激光器的光束特性，覆盖的波长范围为1.5um~8um，直接测量的功率高达150W（不带衰减器）。结合CINOGY公司专门的光束分析仪软件RayCi，主要用于测量和实时监控中红外激光器的光斑尺寸、二维/三维能量分布、发散角、椭圆度、光束指向稳定性、束腰位置和大小，以及光束质量因子M^2。且其配备的分析仪软件RayCi中的protocol功能支持测量数据的输出和打印。另外，可以外加衰减装置，测量更大功率的激光。

LaserDec CR200 HP为高性能的一款中红外光束分析仪，像素尺寸高达x=44um/y=42um.

波长响应范围

激光器光斑和功率测量范围

CO2激光光束分析仪

aserDec 型CO2激光器光束质量分析仪是德国Cinogy公司专门为二氧化碳激光器设计的一款独一无二的二氧化碳激光器用光束质量分析系统（CO2-lasers beam profiler）。得益于其极高的分辨率（可达百万像素）及其优秀的实时显示功能，LaserDec已成为二氧化碳激光器（连续型或脉冲型）光束分析的必备工具。

技术特点：

高分辨率 （可达百万像素）

高帧速度（采用高速的FireWire IEEE 1394a / b接口，传输速率可达800 Mbit/s.）

光路中没有任何光学部件

直接成像，不需要扫描（非刀口法或狭缝扫描法），成像质量高

不需要荧光材料或acrylic mode burns.

选配附件：

10° / 45°水冷衰减器：可承受最高3kW的激光功率，最高5kW/ cm2.功率密度

提供多种FireWire PCI / PCI Express cards供选择

对于脉冲二氧化碳激光器的测量，Cinogy 提供了相应的触发装置

激光线测量分析仪

世界上唯一一款用于激光线测量的高品质光束分析仪！

CinLine Tool分析仪主要由均匀性非常好的且无斑纹的扩散屏，以及校准修正过的成像镜片和CinCam CCD/CMOS相机光束分析仪组成，是一个无需组装和紧凑的测量系统，用于测量UV到NIR的连续和脉冲激光器的光束特性，覆盖的波长范围为320nm~1150nm（可拓展到200nm）。其专门设计的具有精致结构的屏确保了无斑纹的光束轮廓，特别适用于激光线的特性测量。且其配备的分析仪软件RayCi中的protocol功能支持测量数据的输出和打印。另外，可以外加衰减装置，测量大功率的激光。

可以在2维、3维、截面图和直方图中观测实时的光束

软件支持所有测量数据的输出和打印，此外，我们可以根据客户的要求提供测量更大光斑的CinLine Tool.

大口径全波段高灵敏宽光谱（0.1THz-12THz）太赫兹光束质量分析仪

OpenView高品质太赫兹光束质量分析仪具有大口径窗口高达50 mm（ø = 50 mm），可容纳更大尺寸光斑的分析处理，该产品兼具很高的灵敏度，可响应最小50 uw/cm2 的THz信号，且可响应超宽范围的太赫兹波（0.1THz-12THz）;该产品还配有强大的去噪声软件，可实现对太赫兹光束的实时分析。

此外，值得一提的是，这款光束分析仪的波长相应波段为0.1μm—3000μm，同时它具有很高的损伤阈值（1w/cm2），可用于高功率激光源（Excimer, solid state, OPA, QCL, CO2, Gunn diode, BWO等)激光光束分析。用户可根据自己所需检测波长，Openview系列包含以下多个产品。

产品特点：

大口径窗口高达50 mm (ø = 50 mm）

高损伤阈值（1w/cm2）

高灵敏度（最小光信号强度50 uw/cm2）

响应超宽范围太赫兹波（高达100 THz）；同时可覆盖紫外、可见光、红外波段

体积紧凑：90 x 90 x 200 mm3

主要应用

激光光束质量分析，可用作光束分析仪。既可用于高功率激光（高损伤阈值），又可用于低功率激光（高灵敏度）太赫兹光束分析

产品参数：

光谱响应范围     0.1THz-12THz    

最大可测光斑直径     50 mm    

像素     320X256/640X480    

空间分辨率(R)     170μm λ/2 <<>    

最小信号探测     50 µW/cm²    

损伤阈值     1W/cm2    

工作温度     室温    

电源电压     110/220V    

产品尺寸（mm）     90*90*200