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深圳海納光學有限公司
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相機式光斑分析儀與狹縫式光束分析儀的區別
2022-6-7 閱讀(566)
對于光束分析儀的早期設備，掃描狹縫式光束分析儀或刀口式光束分析儀是可用的光束分析儀器設備選項。掃描狹縫式光束分析儀用于分析近高斯光束的橢圓(或圓形)自由空間光束，根據光束直徑采用掃描狹縫或刀口技術。然而，隨著CCD和CMOS傳感器的出現，相機式光斑分析儀雖然逐步地應用于激光光束分析儀，但掃描狹縫檢測器仍在少數激光光束特性分析應用中使用，而在這些應用中它們往往比相機式光斑分析儀的檢測器具有技術優勢。所以，對于如何選擇光束分析儀來測量激光束需要知道兩者間的相對優缺點。
狹縫式光束分析儀通過轉盤的狹縫對依次掃描整個光束截面（見圖1），其中一組的狹縫沿光束X軸掃描，另一組的狹縫沿Y軸掃描，X和Y軸由用戶定義，一般都是對應橢圓的長軸和短軸。光束透過狹縫入射到光電探測器上，光強測量結果對應狹縫位置，在狹縫掃描的過程中采集這些數據，通過光電探測器測量和記錄進入狹縫的所有光的總和。如果已知狹縫移動的速度，則可以通過光電探測器測量確定光束沿狹縫傳播軸的輪廓（見圖2a和圖3a），描描狹縫光束質量分析儀裝置的圓盤（左）通過光束旋轉狹縫，在圓盤（右）后面，一個光電探測器記錄進入狹縫的能量總和。
圖1：掃描狹縫光束質量分析儀裝置的示例
與基于CCD和CMOS傳感器的相機式光斑分析儀相比，狹縫式光束分析儀的第一個優勢是更高的分辨率。目前，激光光束輪廓分析儀提供的最小像素尺寸約為3 µm，因此被測光束必須至少為30 µm，因為DataRay通過實驗，對于光束寬度測量，至少應照亮十個像素。從理論模型來看，10個照明像素對應大約10%的誤差，而實驗數據表明達到了5%的誤差。然而，掃描狹縫光束質量分析儀設備可提供更好的0.1 µm分辨率，并允許對低至2 µm的光束進行輪廓分析。因此，當測量非常小的光束時，在如何選擇光束分析儀時，選掃描狹縫光束質量分析儀裝置。除了對小光束進行輪廓分析外，掃描狹縫光束質量分析儀設備還具有較大的波長范圍。相機式光斑分析儀的硅探測器難以對1200 nm以上的波長進行成像，但掃狹縫式光束分析儀可以同時使用硅和InGaAs光電探測器，這顯著擴展了設備的波長范圍。DataRay Beam R2掃描狹縫式光束分析儀檢測器可以分析190–2500 nm 的光束。DataRay 生產兩種類型的掃描狹縫光束輪廓儀，BeamMap系列，可提供實時M2、發散、聚焦和對準管理，以及Beam R系列，提供經濟實惠、緊湊和精確的光束輪廓。DataRay所有的掃描狹縫光束輪廓儀均配備Si、Ge和InGaAs探測器，覆蓋波長從190 nm到2500 nm。圖2(a)通過掃描狹縫光束質量分析儀裝置進行測量的高斯光束示例中，灰色箭頭表示狹縫允許通過光電探測器的光束能量部分，能量由光電探測器測量并繪制為光束輪廓中的一個點。對于x軸和y軸都顯示了總能量分布。圖2(b) 相機式光斑分析儀檢測器測量的高斯光束示例中，通過使用穿過光束中間的像素行（x軸）或列（y軸）（由紅色箭頭表示）來確定其能量分布。DataRay生產三個系列的相機式光斑分析儀：WinCamD、BladeCam和TaperCamD相機系列，這些基于CMOS 和 VO微測輻射熱計探測器的相機式光束分析儀涵蓋從190 nm到16 μm的廣泛不同波長。
圖2(a)通過掃描狹縫光束質量分析儀裝置進行測量的高斯光束；
圖2(b)由CCD和CMOS傳感器相機檢測器測量的高斯光束
在進行光束特性分析中，高斯光束通過掃描狹縫光束質量分析儀裝置進行測量中（圖3a），灰色箭頭所表示光束的部分被加在一起以表示光束輪廓上的每個點。而高斯光束通過CCD和CMOS傳感器相機檢測器進行測量中，通過使用穿過光束中間的像素行（x 軸）或列（y軸）來找到能量分布。相比較，圖3（a）中的總和輪廓不提供沿圖3（b）中x和y軸的實際光束輪廓的直接表示。
盡管相機式光斑分析儀的波長有限且分辨率低于狹縫式光束分析儀，但它們可以顯示光束的完整二維輪廓，從而可以進行更準確的光束測量。基于CCD和CMOS傳感器相機的檢測器通過使用一行或一列像素來測量光束的強度分布，從而確定光束沿主軸的精確輪廓。掃描狹縫光束質量分析儀顯示沿行進軸的總光束輪廓，對于相對純的TEM00高斯光束，這沒有太大的誤差問題，此時可看作沿狹縫的總和代表了實際的光束輪廓（圖2a和圖2b）。然而，對于高階模式的高斯光束的情況下如何選擇光束分析儀，光束的總輪廓與光束的實際輪廓不匹配（圖3a和圖3b），因此掃描狹縫光束質量分析儀返回的光束輪廓不準確。另外，基于CCD和CMOS傳感器的相機式光斑分析儀相對于掃描狹縫設備的另一個優勢是能夠通過使用二次矩陣進行更準確的光束測量。二階矩計算光束分布的方差以確定光束寬度和其他參數。由于在二階矩陣計算光束分布計算中使用了二維數據，因此使用CCD和CMOS傳感器相機檢測器時，二階矩測量的精度更高。
雖然掃描狹縫式光束分析儀在處理某些波長范圍或非常小的光束時是有利的，但基于相機的檢測器能夠獲得更完整的光束輪廓，這在測量具有大量高階模含量的光束時尤其重要。在光束輪廓分析儀中，DataRay提供BeamMap系列和Beam R系列；其中，DataRay BeamMap系列可提供實時M2、發散、聚焦和對準管理，而DataRay Beam R系列，提供經濟實惠、緊湊和精確的光束輪廓。DataRay所有的掃描狹縫光束輪廓儀均配備Si、Ge和InGaAs探測器，覆蓋波長從190 nm到2500 nm，以滿足各種激光波長狀態下的使用；在相機式光斑分析儀中，DataRay提供三個系列的相機式光斑分析儀：WinCamD、BladeCam 和 TaperCamD 相機，這些光束分析相機滿足從190 nm到16 μm 的不同波長的應用。通過這篇文章，解釋了掃描狹縫式光束分析儀和基于相機的輪廓儀的相對優缺點，對于我們如何選擇光束分析儀、選擇使用什么類型的光束分析儀來測量激光束有更好的幫助。
