光束质量分析仪简介

在光学系统中，激光的光束质量和稳定性，会直接影响最终效果。光斑尺寸或能量分布发生变化，可能造成切割宽度、焊缝形貌和加工深度不一致；热点、旁瓣及多峰结构会带来局部过热；椭圆、发散和指向漂移则会降低光纤耦合效率，并影响光学对准、成像标定和实验数据的重复性。因此，光束质量不能只用M²一个数值概括，还需要考察光束截面的强度分布及其随位置、时间的变化。

光束质量分析仪正是为解析这种空间分布而设计的专用仪器。它能够显示二维、三维光斑形貌和正交强度曲线，测量峰值与质心位置、FWHM、1/e²和D4σ光斑尺寸，以及椭圆率、旋转角、均匀性和指向稳定性；配合沿传播方向的多位置测量，还可获得束腰、发散角、瑞利长度、BPP和M²等参数。

光束质量分析仪的主要功能

显示光束的空间强度分布

 

光束质量分析仪首先要解决的是“光束截面上的能量如何分布”这一问题。仪器可以采集光束在测量平面内的相对强度数据，并以二维伪彩图、三维强度图和剖面曲线等形式显示。二维图用于观察光斑轮廓及内部结构；三维图以高度表示相对光强，便于识别峰值、凹陷和局部异常；剖面曲线则可以显示光强沿某一方向的变化。通过这些结果，可以判断光束接近高斯分布、平顶分布还是环形分布，并发现热点、暗区、旁瓣、多峰及其他非对称结构。

图1 光斑强度分布图

 

测量光斑尺寸与形状

 

光斑边缘通常没有清晰的分界线，因此不能直接用尺子测量。光束质量分析仪可根据不同算法计算光斑直径。常用定义包括FWHM、1/e²和D4σ。FWHM是光强下降到峰值一半时对应的全宽；1/e²直径取峰值光强约13.5%处的宽度，常用于描述近高斯光束；D4σ根据整个光强分布的二阶矩计算，可反映非高斯成分、旁瓣和边缘能量，但对背景噪声及测量区域设置较为敏感。不同算法得出的直径可能并不相同，所以比较测量结果时，需要先确认使用的是FWHM、1/e²还是D4σ。

 

图2 高斯光束直径定义

 

图3 光斑分析结果

 

除光斑直径外，仪器还可测量长轴、短轴、椭圆率和旋转角，用于描述光斑的几何形状及方向。部分软件还能计算圆度、均匀性和包围能量。对于平顶光束，可以分析中心区域是否均匀；对于环形光束，可以观察中心暗孔及环带宽度；对于多模光束，则可以识别峰值数量和不同光斑区域的能量分配。

 

图4 短轴和长轴方向显示

 

监测光束的位置与变化

 

光束位置通常用峰值位置和质心位置描述。峰值位置是光强最高点所在的坐标，容易受到局部热点和噪声影响；质心位置由整个光斑的强度分布计算，更能反映光束能量的中心。两者明显偏离时，通常说明光斑存在不对称、旁瓣、局部强峰或多模结构。通过连续采集光斑数据后，仪器可以记录质心、峰值、光斑尺寸、椭圆率和相对强度随时间的变化，并绘制趋势曲线。这一功能尤其适用于分析光束漂移、指向抖动、光斑大小波动及形状变化。

 

分析光束的传播与聚焦性能

 

单个测量平面只能反映光束在当前位置的状态，无法完整说明其传播和聚焦能力。因此，分析传播性能时，需要在光束传播方向选择多个位置进行测量。实际测量中，通常先用透镜形成束腰，再由位移台带光束质量分析仪沿轴向移动，在焦点前后记录一组光斑尺寸。软件根据这些数据拟合出焦散曲线，由此即可计算出束腰大小、束腰位置、发散角、瑞利长度、BPP和M²等参数。

 

图5 M²计算方法

 

辅助测量与数据处理

 

光束质量分析的准确性还取决于软件对原始数据的处理。常见功能包括背景扣除、坏点修正、噪声过滤、饱和判断、自动曝光和曲线拟合。

背景扣除：是先在无激光或遮光条件下采集探测器的暗电流、环境光和固定背景信号，再将背景图从实际测量图像中扣除。这样可以减少环境光和探测器本底对光斑边缘的影响，避免把背景误判为光束的一部分。

坏点修正：主要针对探测器中响应异常的像素，包括始终输出高信号的亮点、几乎没有响应的暗点，以及响应明显偏离周围像素的异常点。软件通常通过出厂标定或背景检测建立坏点位置表，再利用相邻像素的信号对异常点进行替换或插值。

噪声过滤：是利用空间或时间上的信号特征，区分真实光束信号与随机噪声。例如，软件可以通过阈值判断、邻域平滑、连续帧平均或中值滤波，削弱孤立噪点和短时间随机波动，同时保留光斑的主要轮廓。饱和判断：可及时发现信号过强或过弱，避免探测器工作在不合适的范围。

自动曝光：可根据光强变化调节采集参数，快速获得合适的测量信号。曲线拟合：则通过数学模型分析光束剖面，计算束宽、中心位置等参数，并降低局部噪声对结果的影响。

对于复杂光束，软件通常允许用户手动或自动选择测量区域，排除无关杂散光，识别多个光斑，并对实测曲线进行高斯拟合或其他模型分析。

光束质量分析仪的类别

 

相机式光束分析仪

 

工作原理

相机式光束分析仪采用CCD、CMOS、InGaAs或其他面阵探测器接收激光。经过适当的衰减和成像后，光束投射到探测器表面，传感器中的每个像素记录对应位置的相对光强，软件再根据像素阵列重建光束截面的二维强度分布。

 

图6 CMOS传感器

 

主要优势

✅️能够获得真实的二维光强分布

相机式光束分析仪以像素为单位记录光强，因此能够保留光斑在X、Y方向上的空间信息。光斑是圆形还是椭圆形，中心是否有暗孔，顶部是否均匀，边缘是否出现旁瓣，图像中都可以清楚显示。

✅️测量结果直观，便于调试和判断

相机式光束分析仪可以同时显示二维、三维和剖面结果，能够直观看到光束形貌与参数之间的对应关系。例如，光斑图上的局部热点可能对应峰值偏移或均匀性下降，光斑形状的变化也可能与椭圆率、旋转角和质心变化相对应。

✅️适合实时观察和脉冲光束分析

相机式光束分析仪可以连续采集图像，实时观察光斑漂移、强度波动和形状变化。配置合适的曝光、触发和快门模式后，还可以测量连续激光、高重复频率脉冲激光以及单个脉冲。具备全局快门或外部触发功能的相机，可减少脉冲测量中的拖影和时间不同步问题。

✅️软件功能较为丰富

相机式分析软件通常支持背景扣除、噪声处理、坏点修正、自动或手动选区、峰值与质心计算、高斯拟合、多光斑识别、趋势记录和数据导出。对于多模或非高斯光束，合理设置测量区域和分析算法，可以减少杂散光、背景和无关区域对结果的影响。

使用限制

 

相机传感器的有效面积有限：光斑太大，可能超出探测器范围；光斑太小，又可能只覆盖几个像素，无法准确描述形状。遇到这类情况，通常需要使用缩束、扩束或投影成像系统，把光斑调整到合适的尺寸。

面阵传感器能够承受的光强有限：强光直接进入相机可能导致图像饱和、峰值失真，严重时会损坏像素。因此高功率测量通常需要衰减片、分光取样或其他隔离附件。衰减片表面质量、衰减均匀性和安装角度都会影响测量结果，不能只看衰减倍数。

测量结果依赖背景和校准：相机像素会受到暗电流、环境光、坏点和响应不一致的影响。如果没有正确扣除背景，光斑边缘可能被误认为是光束的一部分；如果传感器已经饱和，光斑峰值、质心和束宽都会发生偏差。

附件可能引入新的误差：扩束镜、缩束镜、投影系统等虽然可以扩大测量范围，但也可能带来像差、畸变、散斑和光轴偏移。

扫描狭缝式光束分析仪

 

工作原理

扫描狭缝式分析仪不是一次拍下整幅光斑，而是让一个很窄的狭缝逐步扫过光束。狭缝每移动到一个位置，只有一小部分光通过，后方的单点探测器记录此时的光强。将所有位置的信号连起来，就能得到光束在该方向上的强度剖面。

通常，仪器会分别沿两个正交方向扫描，得到X、Y方向的积分光强曲线，并据此计算光斑尺寸、位置、椭圆率和其他参数。软件可以把这些结果显示成二维或三维图，但这种图是由扫描数据重建或转换得到的，和相机式逐像素形成的真实二维图像不同。

 

图7 狭缝原理示意

 

主要优势

 

✅️取样尺寸小，适合微小光斑

狭缝宽度和扫描步长可以设计得很小，空间取样尺寸通常小于普通面阵相机的像素尺寸。因此，在测量微米级光斑或焦点附近的小光斑时，扫描狭缝式不一定需要通过大倍率成像来放大光斑，能够减少成像系统带来的误差。

✅️动态范围较大

扫描狭缝式通常采用单点探测器接收经过狭缝的光信号。与面阵相机相比，单点探测器在弱光和强光之间通常可以保持更大的动态范围，适合测量强度变化较大的光束。通过调整探测器增益、狭缝宽度和扫描参数，可以在一定范围内兼顾信号灵敏度与测量速度。

✅️可以覆盖较宽的测量波段

扫描狭缝式光束分析仪可以根据测量波段更换硅、锗、InGaAs、热释电等不同类型的探测器。由于探测器不需要采用面阵结构，因此扫描式光束分析仪比较容易扩展到紫外、可见、近红外和部分红外波段。

✅️适合焦点和较高功率密度测量

狭缝只允许光束的一部分进入探测器，可以降低探测器接收的光功率。在配置合适的取样结构后，系统可以用于焦点附近的小光斑和较高功率密度光束的测量。对于某些高功率激光，扫描式结构比直接将光束投射到面阵传感器上更容易实现功率控制。

 

使用限制

积分测量会损失二维结构：狭缝经过光束时，探测器收到的是狭缝范围内所有光线的总和。这个过程保留了某一方向上的整体变化，却无法像相机那样知道每个横向位置的光强。因此，扫描狭缝式可以很好地测量宽度，但不一定能完整呈现光束内部的二维结构。

对椭圆光束的方向较敏感：如果狭缝的X、Y扫描方向没有与椭圆光束的长轴和短轴对齐，两个方向的测量结果可能无法准确反映实际椭圆率。只有当仪器的扫描轴与光束主轴对准，或系统具备足够的方向扫描能力时，才能较可靠地测量椭圆光束的几何特征。

难以识别平顶和环形结构：对于平顶光束，狭缝逐渐进入光斑时，随着通过狭缝的光量增加，积分曲线可能呈现类似穹顶的形状，从而无法准确反映光束顶部区域的均匀性。对于环形光束，狭缝经过中心时，环形两侧仍可能有光通过，中心暗孔容易被掩盖。因此，平顶、环形、多峰和其他复杂结构通常更适合采用相机式系统进行分析。

机械扫描速度有限：扫描狭缝式分析仪包含运动部件，测量速度受扫描行程、步长、机械响应和信号采集速度限制。测量过程中如果光束本身发生变化，扫描得到的不同位置数据可能并非来自同一时刻，最终结果会混入光束波动的影响。对于快速变化的光束和低重复频率脉冲，还需要特别考虑扫描速度、触发方式和重复频率。

狭缝宽度会影响空间分辨率：狭缝有实际宽度，测量结果相当于真实光强分布经过狭缝函数处理后的结果。狭缝过宽时，小光斑边缘会被平滑，测得的束宽可能偏大；狭缝过窄时，信号减弱，噪声和测量时间增加。因此，狭缝宽度、扫描步长和光斑尺寸之间需要匹配。

 

总结表

软件操作详解

 

以LBTEK BeamPro系列光束质量分析仪为例，它采用12 bit CMOS面阵传感器，可实时采集光束的二维强度分布，并通过STAR软件完成光斑显示、参数计算和数据统计。支持连续激光和脉冲激光测量，可进行背景与热像素处理，并根据实际光强自动调整曝光和增益。软件支持包括ISO方法在内的多种分析方式，同时提供客户端/服务器接口和网络远程控制功能，适合激光器检测、光路调整、光束整形评价及长期稳定性监测。

 

图8 BeamPro软件界面

 

LBTEK BMS系列光束质量测量仪则是面向科研与工业激光测量场景打造，支持用于1W以内光纤、半导体激光的聚焦与准直光斑在线监测与定量检测。该系列产品提供多档分辨率与感光靶面配置，光谱覆盖 190 ‑ 1750 nm，兼容紫外、可见光至近红外波段，感光芯片采用开窗处理工艺，抑制额外噪声，保障采样信噪比。设备标配 USB3.0 高速接口，数据传输稳定高效，可满足各类光束质量评估与光斑轮廓分析。

 

图9 BMS软件界面