随着激光束被广泛的运用在各种应用中，激光光束质量的好坏成为了激光制造、激光加工等企业所面临的一个非常重要的问题。光束质量分析仪自从20世纪90年代诞生以来，主要分为机械扫描法和CCD/CMOS相机法这两种方式。CCD/CMOS相机有着体积小、操作简单、性价比高等诸多优点，逐渐成为当今评价光束质量的主流方式。
光束质量分析仪测量原理（一）
光束质量分析仪（光束轮廓分析仪）是一种用于激光束测量的重要工具，它不仅可以测量激光束的整个光强分布，也可以测量激光束的具体形状及大小。在一些激光应用（例如激光切割、激光打孔）方面上，激光束的检测是非常重要的，它影响着切割的精度以及钻孔的质量。
目前市面上使用较多光束测量方法有狭缝扫描法、刀口扫描法、面阵相机法。狭缝法和刀口法扫描时间较长、且为人工控制、测量精度难以把控。该测量方法操作复杂，容易出错，多为经验丰富的技术人员操作,但优势在于可以测量大功率激光。面阵相机操作简单、扫面速度快、测量精度高、光谱响应范围宽等诸多优点,成为现在最主流的光束测量方法。此外，相机前面加上合适的衰减片，也可测量高功率激光。
以下主要介绍相机式光束质量分析仪测量基本原理。
图1光束质量分析仪基本原理框图
测量原理：
如图一所示，激光器发射出来的激光，经过光路准直后，通过衰减片（将功率降低到一定程度，避免烧坏相机芯片，此外由于背景光对实验的测量结果影响很大，因此衰减片紧贴着相机）直射入相机的感光芯片。相机将采集到的激光信号传到计算机进行封装成伪彩图像进行处理，最后根据软件的算法，计算处光束宽度等激光参数，并根据伪彩图像建立光斑分布模型。
激光光束参数：
一、 光束强度（光强）
激光光束强度是指单位面积上光束的平均能量（功率），又称为光强。计算公式如下：
电场强度，
磁场强度。它们分别表示为:
为波长，
为角频率，
为电场的振幅，
为磁场的振幅。在各种光学效应中，主要是电场起主要作用，其又可表示为：
n表示介质的折射率，
表示真空磁导率，c表示光波传播速度。
光强在光轴位置最大，越远离光轴，光强越小。通常情况下，光强是圆柱对称的高斯分布。表示为：
表示光轴（r=0）处的光强，
定义为光束半径，r为光束横截面内，距离光斑质心的长度。
二、光束束宽
图2 光束切面高斯分布图
光束的宽度定义一般分以下几种。
（1）
定义
在光强分布曲线E(r)上，r为径向坐标，光强最大值
的
处两点间的距离的一半定义为束宽
表示为：
(2) 86.5% 环围功率（能量）定义
以光斑质心为中心画圆，圆中包含的能量与光斑总能量的比值为 86.5％,此时，圆的半径定义为束宽
表示为：
(3)刀口法
按照能量定义光束宽度，总能量的10%-90%之间距离的一半定义为束宽，刀口法不需要考虑亮度饱和问题，不仅能测量无规律的极差光束质量的激光束宽，也可测量大功率激光器的光束束宽。
(4)二阶矩定义
目前国际按照IOS 11146统一标准的一种分析方法，即及激光束宽正比于光束截面上功率密度分布的二阶中心矩，在直角坐标系中，光束在z处时的光强分布函数的二阶矩表示为：
和
表示当前位置到光斑质心坐标
的距离，
和
的表达式如下所示：
在实际测量中，计算光斑质心位置都是计算光斑各个点的灰度值，因此质心位置又可表示为：
则二阶矩公式可以表示为：
这种方法又称之为“透镜变换法”采用这种方法有以下几种好处：
1. 可以实现远场测量；
2. 像方束腰位置飘移较小；
3. 降低了由孔径限制引起的衍射效应对近场束宽的影响；
4. 由于上述是对整个x,y平面积分，因此此积分是至少在捕获光功率（能量）99%以上区域进行的，配合计算机的图像处理系统可以快速的计算出光束束宽的大小。但此方法对高空间频率的干扰非常敏感，因此在测量中会出现一定的基地噪声，所以在测量的过程中要对噪声做一定的处理。
三、远场发散角
激光光束的传播符合双曲线定律，光束的远场发散全角
可表示为双曲线两条渐近线之间的夹角,光束远场发散角θ定义为光束远场发散全角的一半，通常表示为无穷远处光束束宽和传输距离之比的极限。
图3 光束束腰和远场发散角
表示束腰直径，
表示束腰半径，
表示远场发散全角，由激光光学可知，对基膜高斯光束有
（ 
表示为基膜高斯光束束腰半径）。由此可见激光束的波长与束腰半径和远场发散角的乘积有关。而在实际应用中，常用聚焦透镜的焦距f和此焦距对应的束宽来计算远场发散角的大小，可表示为：
四、瑞利长度
瑞利长度通常表示为束腰位置到光束束腰半径的
倍所对应位置的距离。 在此范围内，光束的传播可以近似认为是水平的。
图4 瑞利长度示意图
瑞利长度的物理意义表示为：
（
表示为高斯光束的束腰半径)，b表示为瑞利长度。
光束质量是对激光器输出光束特性的质的评价，因此对激光器的设计、制造、检测和应用等方面有着非常重要的作用。对于不同的领域，评价光束质量好坏的标准也不一样，例如：激光测距和准直的应用需要激光光束的方向性好（发散角小）；激光全息应用需要激光光束相干性好，激光手术和激光印刷等方面的应用需要激光束的单色性好等等。
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RayCi软件界面示意图
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相关文献：
1.Jingbiao C, Fengzhi W, Donghai Y, et al. Study on the beam quality of uncoupLED laser diode arrays[J]. Chinese Journal of Lasers B, 2001, 10(4): 241.
2.Hodgson N, Haase T, Kostka R, et al. Determination of laser beam parameters with the phase space beam analyser[J]. Optical and quantum electronics, 1992, 24(9): S927-S949.
3.闫宏宇. 高功率半导体激光器的光束特性评价[D]. 长春: 长春理工大学, 2019.
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