光束質量分析儀是測量激光光束的強度截面的裝置。光束質量分析儀（光束分析儀，模式分析儀）是一種診斷裝置，可以測量激光光束的整個光強截面，即不僅能測量光束半徑還可以測量得到細節形狀。
光(guang)(guang)束質(zhi)量(liang)分(fen)析儀可以(yi)(yi)用(yong)于以(yi)(yi)下方(fang)面(mian)：定性給出光(guang)(guang)束截面(mian)可以(yi)(yi)用(yong)于激光(guang)(guang)的對準，而測量(liang)光(guang)(guang)軸(zhou)不(bu)同(tong)位置處(chu)的光(guang)(guang)束半(ban)徑(jing)可以(yi)(yi)計算 M2因子(zi)或者(zhe)光(guang)(guang)束參量(liang)乘積，定性表(biao)征光(guang)(guang)束質(zhi)量(liang)。

圖(tu)1：高斯光(guang)束(shu)（左圖(tu)）和(he)多(duo)模激光(guang)光(guang)束(shu)（右圖(tu)）的強度截(jie)面。后者強度變化更加(jia)復雜。

這種(zhong)多模光束可由諧振腔(qiang)基模遠(yuan)小于增(zeng)益介質中泵浦(pu)區域的激光器產(chan)生。

采用合適(shi)的激(ji)光(guang)(guang)光(guang)(guang)束(shu)(shu)診(zhen)斷(duan)方法控制光(guang)(guang)束(shu)(shu)質量在很多激(ji)光(guang)(guang)器應用中都很重要，例如，材料加(jia)工；例如，如果可(ke)以控制光(guang)(guang)束(shu)(shu)質量，就可(ke)以得到更加(jia)一致的鉆孔質量。

相機式光束質量分析(xi)儀

很多光(guang)(guang)束(shu)質(zhi)量分(fen)析儀采用一些數碼相機。在可見(jian)光(guang)(guang)和(he)近紅(hong)外光(guang)(guang)譜區(qu)域(yu)，CMOS和(he)CCD是較常見(jian)的(de)(de)(de)。CMOS裝置更加便宜，但是CCD具(ju)有更好的(de)(de)(de)線性(xing)和(he)更低的(de)(de)(de)噪聲。CCD和(he)CMOS相機都能得(de)到(dao)5μm量級（由像素(su)大(da)小(xiao)得(de)到(dao)的(de)(de)(de)）的(de)(de)(de)分(fen)辨率(lv)，因(yin)此(ci)光(guang)(guang)束(shu)半徑可以(yi)小(xiao)到(dao)50 μm甚至更小(xiao)。有源區(qu)面積的(de)(de)(de)尺寸為幾(ji)個(ge)毫米，因(yin)此(ci)可以(yi)處理非常大(da)的(de)(de)(de)光(guang)(guang)束(shu)。

圖(tu)2：測量(liang)(liang)因子的激(ji)光光束質量(liang)(liang)分析儀，CCD相(xiang)機安裝在電動平移臺(tai)上(shang)。

不同(tong)的波(bo)長區(qu)域需要采用不同(tong)的傳感器(qi)(qi)類型。硅基傳感器(qi)(qi)非常適用于(yu)可(ke)(ke)(ke)見光和近紅(hong)外光譜(pu)區(qu)域，波(bo)導(dao)可(ke)(ke)(ke)以(yi)達到1或1.1 μm，而InGaAs探(tan)測器(qi)(qi)可(ke)(ke)(ke)以(yi)用于(yu)波(bo)長達到約1.7 μm。

對(dui)于更長(chang)的波長(chang)，例如表征(zheng)CO2激(ji)光器(qi)的光束性能(neng)，采(cai)用熱電的或者(zhe)微測輻(fu)射熱計相(xiang)(xiang)機就可以(yi)。這些相(xiang)(xiang)機相(xiang)(xiang)對(dui)比較昂貴(gui)。鑒于該激(ji)光器(qi)的輸(shu)出功率很高(gao)，因此其相(xiang)(xiang)對(dui)較低的響應度也(ye)不(bu)算是一個缺點。對(dui)于紫(zi)外線激(ji)光器(qi)，CCD和CMOS陣列可以(yi)與UV轉換板結合使用，將輻(fu)射光轉化成更長(chang)的波長(chang)區域(yu)，而不(bu)會損傷相(xiang)(xiang)機陣列。

相(xiang)機式傳感器的(de)(de)空間(jian)(jian)分(fen)辨率(lv)是(shi)一個非常重(zhong)要的(de)(de)量。對于(yu)硅傳感器，像素大(da)小可以低至10 μm，因此(ci)可以測(ce)量50 μm量級的(de)(de)光束直(zhi)(zhi)徑(jing)。InGaAs探測(ce)器具(ju)有(you)更(geng)大(da)的(de)(de)像素大(da)小，寬度為30 μm，然而熱(re)電相(xiang)機陣列(lie)不能(neng)達到小于(yu)100 μm。很(hen)低的(de)(de)空間(jian)(jian)分(fen)辨率(lv)的(de)(de)結果就是(shi)光束尺寸(cun)需要比較(jiao)大(da)，因此(ci)瑞利長度較(jiao)大(da)。因此(ci)，若測(ce)量M2，需要更(geng)大(da)的(de)(de)空間(jian)(jian)。像素個數在(zai)實際中也很(hen)重(zhong)要，數目大(da)表示可以測(ce)量更(geng)大(da)范圍內(nei)的(de)(de)光束直(zhi)(zhi)徑(jing)。

當(dang)用于窄線寬激光(guang)器時，相(xiang)機式系統(tong)對時間相(xiang)干引起(qi)的偽影非常(chang)敏感(gan)。為(wei)了(le)抑制這些(xie)偽影并(bing)消除器對測量(liang)數據的影響，需要非常(chang)仔細(xi)的光(guang)學設計（無窗(chuang)口，會引起(qi)寄生反射(she)）。

很(hen)多相機都對(dui)光(guang)(guang)非常敏感，通常比需要(yao)(yao)的還要(yao)(yao)敏感。因此(ci)光(guang)(guang)在(zai)進入相機前需要(yao)(yao)先經(jing)過衰(shuai)減。有時(shi)也需要(yao)(yao)采用一些成(cheng)像光(guang)(guang)學（例如(ru)，光(guang)(guang)束(shu)(shu)放大器用來擴大光(guang)(guang)束(shu)(shu)半(ban)徑的范(fan)圍(wei)），這(zhe)樣相機記錄的光(guang)(guang)束(shu)(shu)截(jie)面(mian)(mian)就等(deng)同于其它(ta)位(wei)置(zhi)（相平面(mian)(mian)）的光(guang)(guang)束(shu)(shu)截(jie)面(mian)(mian)。這(zhe)可以很(hen)好的屏蔽雜散光(guang)(guang)。但(dan)是，采用的光(guang)(guang)學裝置(zhi)不應(ying)該引(yin)入附加(jia)畸變(bian)效應(ying)。

記錄(lu)的光(guang)束(shu)截(jie)面可(ke)以顯示在計(ji)算(suan)機屏幕上，同(tong)時還包括測量的參數，例(li)如光(guang)束(shu)半徑，光(guang)束(shu)位置，橢(tuo)圓度和統(tong)計(ji)信息(xi)，或者(zhe)高(gao)斯(si)擬合。軟件可(ke)以選擇不同(tong)方法確定光(guang)束(shu)半徑，例(li)如D4σ方法或者(zhe)簡單的1/e2標(biao)準。

采(cai)用狹縫、刀口或針孔(kong)的掃描光束質量(liang)分(fen)析儀

有的光(guang)(guang)束(shu)分(fen)析儀可以采(cai)用(yong)一(yi)(yi)個或者(zhe)多個針(zhen)孔、狹縫(feng)(feng)或者(zhe)刀口來掃(sao)描光(guang)(guang)束(shu)截(jie)面(mian)。任一(yi)(yi)情(qing)況(kuang)下，一(yi)(yi)些(xie)機械部(bu)分(fen)（固(gu)定在(zai)旋轉部(bu)分(fen)上(shang)）快速通過光(guang)(guang)束(shu)，而透(tou)射功率(lv)由一(yi)(yi)個光(guang)(guang)電(dian)(dian)探測器或一(yi)(yi)些(xie)電(dian)(dian)子裝置(zhi)記錄(lu)。采(cai)用(yong)計算機（PC或者(zhe)內置(zhi)微處(chu)理器）根據測量數據得出光(guang)(guang)束(shu)截(jie)面(mian)，然后(hou)顯(xian)示在(zai)屏幕上(shang)。例如，透(tou)射功率(lv)與(yu)刀口位置(zhi)的關系被分(fen)離開來得到光(guang)(guang)束(shu)的一(yi)(yi)維強度截(jie)面(mian)，然后(hou)移(yi)動的狹縫(feng)(feng)可以直接(jie)得到強度截(jie)面(mian)。

圖3：掃(sao)描狹縫光(guang)束質量分析儀。PC顯示屏顯示掃(sao)描了(le)兩個方(fang)向并重建的光(guang)束截面。

掃描(miao)(miao)系(xi)統的(de)空間(jian)分辨(bian)率(lv)可以高達幾微(wei)(wei)米(mi)，甚(shen)至接(jie)近于1微(wei)(wei)米(mi)（尤其是(shi)掃描(miao)(miao)針孔或狹縫），適用于表(biao)征小直徑光(guang)(guang)束(shu)。掃描(miao)(miao)的(de)一個重要(yao)優點是(shi)光(guang)(guang)電探測(ce)器(qi)不需要(yao)具有(you)很高的(de)空間(jian)分辨(bian)率(lv)，因此適用于不同波長(chang)區域的(de)探測(ce)器(qi)都能使用。另外(wai)，與相(xiang)機式(shi)相(xiang)比，這種方法也可以得到(dao)更大(da)的(de)動(dong)態范圍(wei)。可以承擔的(de)功率(lv)從mW到(dao)W量級。也很容易(yi)在進入探測(ce)器(qi)間(jian)進行光(guang)(guang)束(shu)衰減，因為它需要(yao)的(de)光(guang)(guang)束(shu)質量比相(xiang)機式(shi)系(xi)統低很多。

掃描(miao)光(guang)(guang)(guang)束(shu)(shu)質量分(fen)析(xi)儀特別適用(yong)于光(guang)(guang)(guang)束(shu)(shu)截(jie)面接近于高斯型光(guang)(guang)(guang)束(shu)(shu)的情況，尤其是采(cai)用(yong)狹縫或者刀口(kou)掃描(miao)的系統(tong)，因為(wei)，記錄的信(xin)號通常在一個(ge)空間方向，因此重塑(su)復(fu)雜的光(guang)(guang)(guang)束(shu)(shu)形狀通常得到的結果(guo)不是很理(li)想。

有些掃描光(guang)束質量分(fen)析儀可(ke)以用于(yu)脈沖(chong)(chong)激(ji)光(guang)光(guang)束，例如(ru)來自于(yu)調Q激(ji)光(guang)器的(de)(de)光(guang)束。但是，它只適用于(yu)足(zu)夠(gou)高的(de)(de)脈沖(chong)(chong)重復速率的(de)(de)情形；需要注意的(de)(de)是，min的(de)(de)重復速率與光(guang)束直(zhi)徑有關。

需要考慮的(de)一些因素

在選擇光譜質量分(fen)析儀用于某一(yi)應(ying)用中時有很多要求：

光(guang)束半徑(jing)或直徑(jing)的(de)范圍(wei)是(shi)多少(shao)？需要的(de)準(zhun)度(du)是(shi)多少(shao)？需要采用哪種光(guang)束半徑(jing)的(de)定義(yi)？

光束是(shi)否(fou)(fou)接近于高斯型？或者是(shi)否(fou)(fou)具有(you)復雜(za)的形狀？

光功(gong)率的范圍(wei)是(shi)多少（通常與光束半徑有關）？是(shi)否需要(yao)大動(dong)態范圍(wei)的器(qi)件，或者裝置工作(zuo)在(zai)很窄的光功(gong)率范圍(wei)能否符合要(yao)求(qiu)？是(shi)否需要(yao)可調衰減器(qi)？

裝置是否需要連接(jie)到一個PC上，或者裝置需要具有內置的電(dian)子裝置來顯示結果？

需(xu)要(yao)什么樣的(de)軟件？例如，需(xu)要(yao)直接顯示(shi)哪個(ge)光(guang)束參數？是否需(xu)要(yao)在(zai)很(hen)大(da)的(de)光(guang)束半徑和(he)功率范圍(wei)內測量光(guang)束參數？是否需(xu)要(yao)數據記錄特性(xing)？

裝置是否需(xu)要處理隨時間變化功(gong)率的光束，例如來自于(yu)調(diao)Q激光器？

為了得到全部(bu)的(de)光(guang)束(shu)質量特(te)性：裝置是否需(xu)要自動記錄(lu)在不同(tong)位置處的(de)光(guang)束(shu)截面和計(ji)算 M2因子(zi)？

光束衰(shuai)減

大(da)多數情況下，尤其是(shi)相機式系(xi)(xi)統，光束在(zai)進入質(zhi)量分(fen)析儀之前需要(yao)先進行(xing)衰減。有(you)些系(xi)(xi)統在(zai)傳播過程中采(cai)用(yong)光衰減器（例如，楔形中性密度濾波(bo)器）；有(you)時也(ye)利用(yong)高(gao)質(zhi)量玻(bo)璃片的弱反射。
盡管衰減(jian)是一(yi)個(ge)很(hen)重要(yao)的任務，若(ruo)采(cai)用不恰當的方法就會產生很(hen)多(duo)問題。例如：
有(you)些衰減器(qi)具有(you)不是很高的(de)(de)光(guang)學質量，或者(zhe)會由于表面的(de)(de)反射引起(qi)干涉效應因此破壞(huai)窄線(xian)寬(kuan)光(guang)束的(de)(de)光(guang)束質量。

吸收濾波器在(zai)高(gao)功率情(qing)況(kuang)下(xia)會降(jiang)低光(guang)束(shu)質量，因為這時存在(zai)熱學效應。

不建議采用(yong)(yong)高反射(she)(she)(she)率的電(dian)介質反射(she)(she)(she)鏡(jing)用(yong)(yong)于光束質量(liang)的測(ce)量(liang)，因為(wei)其參與(yu)透(tou)射(she)(she)(she)率與(yu)反射(she)(she)(she)鏡(jing)的位置密切(qie)相關(guan)。

光(guang)(guang)(guang)學表面的(de)近于(yu)布儒(ru)斯特角的(de)p偏振的(de)弱反射(she)光(guang)(guang)(guang)也(ye)是不需要(yao)的(de)，因(yin)(yin)為這種工作條(tiao)件下(xia)s偏振光(guang)(guang)(guang)具有(you)很高的(de)反射(she)率，因(yin)(yin)此在激光(guang)(guang)(guang)增益(yi)介質(zhi)中引起去極化現象。

有些方法提供的衰(shuai)減(jian)是非(fei)常粗(cu)的不(bu)可調的，這種探(tan)測器很難得到峰值功率。

裝置是否(fou)方便(bian)也是一(yi)個考(kao)慮因素。例如(ru)(ru)，如(ru)(ru)果可以采用電子學自動調節(jie)衰減因子是非常便(bian)利(li)的。

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