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)束(shu)(shu)質量(liang)分析儀可(ke)以(yi)用(yong)于以(yi)下方(fang)面：定(ding)性給(gei)出光(guang)束(shu)(shu)截面可(ke)以(yi)用(yong)于激光(guang)的(de)對(dui)準，而測(ce)量(liang)光(guang)軸不(bu)同(tong)位置處的(de)光(guang)束(shu)(shu)半徑可(ke)以(yi)計算 M2因(yin)子或者光(guang)束(shu)(shu)參(can)量(liang)乘積，定(ding)性表征光(guang)束(shu)(shu)質量(liang)。

圖(tu)(tu)1：高斯(si)光束（左(zuo)圖(tu)(tu)）和多模激光光束（右圖(tu)(tu)）的強度截面(mian)。后者強度變化更加復(fu)雜。

這種(zhong)多模光(guang)束(shu)可(ke)由諧振腔(qiang)基(ji)模遠(yuan)小于增益介(jie)質中泵浦區(qu)域的激光(guang)器產生(sheng)。

采(cai)用合適(shi)的(de)激光(guang)(guang)光(guang)(guang)束診斷方法控制光(guang)(guang)束質量在(zai)很多激光(guang)(guang)器(qi)應用中都(dou)很重要，例(li)如，材料(liao)加工；例(li)如，如果(guo)可以(yi)控制光(guang)(guang)束質量，就可以(yi)得到更(geng)加一致的(de)鉆(zhan)孔質量。

相機式光束(shu)質(zhi)量分(fen)析儀

很多光(guang)(guang)束質量(liang)分(fen)析儀采用一些數(shu)碼相機。在(zai)可見光(guang)(guang)和(he)近紅(hong)外光(guang)(guang)譜區(qu)域，CMOS和(he)CCD是較(jiao)常(chang)見的(de)(de)(de)。CMOS裝置更加(jia)便宜(yi)，但是CCD具(ju)有(you)更好的(de)(de)(de)線性和(he)更低的(de)(de)(de)噪聲。CCD和(he)CMOS相機都能(neng)得(de)到(dao)(dao)5μm量(liang)級（由(you)像素大小(xiao)得(de)到(dao)(dao)的(de)(de)(de)）的(de)(de)(de)分(fen)辨率，因此光(guang)(guang)束半徑可以(yi)小(xiao)到(dao)(dao)50 μm甚至更小(xiao)。有(you)源區(qu)面積的(de)(de)(de)尺(chi)寸為(wei)幾個毫米，因此可以(yi)處理非常(chang)大的(de)(de)(de)光(guang)(guang)束。

圖2：測量(liang)因子的(de)激光(guang)光(guang)束(shu)質(zhi)量(liang)分析(xi)儀，CCD相機安(an)裝(zhuang)在電動平移臺(tai)上。

不同的波長(chang)區(qu)域需要采用(yong)(yong)不同的傳(chuan)感器(qi)類型。硅基傳(chuan)感器(qi)非常適用(yong)(yong)于(yu)(yu)可見光(guang)和(he)近紅外光(guang)譜(pu)區(qu)域，波導可以達(da)到1或1.1 μm，而InGaAs探測器(qi)可以用(yong)(yong)于(yu)(yu)波長(chang)達(da)到約(yue)1.7 μm。

對(dui)(dui)于(yu)(yu)(yu)更(geng)長(chang)(chang)的波(bo)長(chang)(chang)，例如表征CO2激(ji)光器(qi)的光束性能，采用熱電的或者微測(ce)輻(fu)(fu)射熱計(ji)相(xiang)機就可(ke)以(yi)。這(zhe)些(xie)相(xiang)機相(xiang)對(dui)(dui)比較昂貴。鑒于(yu)(yu)(yu)該激(ji)光器(qi)的輸出功率很高，因此其相(xiang)對(dui)(dui)較低的響應度也(ye)不(bu)(bu)算是一個缺點。對(dui)(dui)于(yu)(yu)(yu)紫外線激(ji)光器(qi)，CCD和CMOS陣(zhen)列(lie)可(ke)以(yi)與UV轉(zhuan)換(huan)板結合使用，將輻(fu)(fu)射光轉(zhuan)化成更(geng)長(chang)(chang)的波(bo)長(chang)(chang)區域(yu)，而不(bu)(bu)會損傷相(xiang)機陣(zhen)列(lie)。

相機式傳(chuan)感(gan)器的(de)空間(jian)分辨率(lv)是(shi)一個(ge)非常重要(yao)的(de)量(liang)。對于(yu)(yu)硅傳(chuan)感(gan)器，像(xiang)素(su)大(da)(da)(da)(da)(da)小可(ke)以(yi)低至10 μm，因此可(ke)以(yi)測(ce)量(liang)50 μm量(liang)級的(de)光束直徑。InGaAs探測(ce)器具有更大(da)(da)(da)(da)(da)的(de)像(xiang)素(su)大(da)(da)(da)(da)(da)小，寬度(du)為30 μm，然而(er)熱電相機陣列不能(neng)達到小于(yu)(yu)100 μm。很(hen)低的(de)空間(jian)分辨率(lv)的(de)結(jie)果就是(shi)光束尺寸(cun)需要(yao)比較大(da)(da)(da)(da)(da)，因此瑞(rui)利長度(du)較大(da)(da)(da)(da)(da)。因此，若測(ce)量(liang)M2，需要(yao)更大(da)(da)(da)(da)(da)的(de)空間(jian)。像(xiang)素(su)個(ge)數(shu)在實際中(zhong)也(ye)很(hen)重要(yao)，數(shu)目大(da)(da)(da)(da)(da)表示可(ke)以(yi)測(ce)量(liang)更大(da)(da)(da)(da)(da)范(fan)圍內的(de)光束直徑。

當用于窄(zhai)線(xian)寬激光器(qi)時，相機(ji)式系統對時間相干引(yin)起(qi)的(de)偽(wei)影非常(chang)敏(min)感。為了抑(yi)制這些偽(wei)影并(bing)消除器(qi)對測量數據(ju)的(de)影響(xiang)，需要(yao)非常(chang)仔細的(de)光學設(she)計（無窗(chuang)口，會引(yin)起(qi)寄生反(fan)射(she)）。

很(hen)多(duo)相機都(dou)對光(guang)非常(chang)敏感(gan)，通(tong)常(chang)比需要(yao)的(de)還要(yao)敏感(gan)。因此光(guang)在進入(ru)相機前需要(yao)先經過衰減。有(you)時也需要(yao)采(cai)用一些成像(xiang)光(guang)學（例(li)如，光(guang)束放大(da)器(qi)用來擴大(da)光(guang)束半徑的(de)范圍(wei)），這樣相機記錄的(de)光(guang)束截面(mian)就等同(tong)于其它位置(zhi)（相平面(mian)）的(de)光(guang)束截面(mian)。這可以很(hen)好的(de)屏蔽雜(za)散光(guang)。但(dan)是，采(cai)用的(de)光(guang)學裝置(zhi)不(bu)應(ying)該引(yin)入(ru)附加畸變效應(ying)。

記錄(lu)的光束(shu)截面可以(yi)顯示在計算機屏幕上，同(tong)時還(huan)包括測(ce)量的參數，例如(ru)光束(shu)半徑，光束(shu)位(wei)置，橢圓(yuan)度和(he)統計信息(xi)，或(huo)者高斯(si)擬合(he)。軟件可以(yi)選擇不(bu)同(tong)方法確定光束(shu)半徑，例如(ru)D4σ方法或(huo)者簡單的1/e2標準(zhun)。

采用狹(xia)縫、刀口或針(zhen)孔的掃描光束質(zhi)量(liang)分析儀(yi)

有的光(guang)(guang)束(shu)分析(xi)儀可(ke)以采用一個(ge)或(huo)(huo)者多個(ge)針(zhen)孔、狹(xia)縫(feng)或(huo)(huo)者刀(dao)口來(lai)掃描光(guang)(guang)束(shu)截面(mian)(mian)。任(ren)一情況(kuang)下，一些機械部分（固定在旋轉部分上）快速通過光(guang)(guang)束(shu)，而透射功率(lv)由一個(ge)光(guang)(guang)電探測(ce)器或(huo)(huo)一些電子裝置記(ji)錄。采用計算機（PC或(huo)(huo)者內置微處理器）根(gen)據(ju)測(ce)量數據(ju)得出光(guang)(guang)束(shu)截面(mian)(mian)，然(ran)后顯(xian)示在屏(ping)幕上。例如，透射功率(lv)與刀(dao)口位置的關系被(bei)分離開來(lai)得到(dao)(dao)光(guang)(guang)束(shu)的一維強度截面(mian)(mian)，然(ran)后移動的狹(xia)縫(feng)可(ke)以直接(jie)得到(dao)(dao)強度截面(mian)(mian)。

圖(tu)3：掃(sao)描狹(xia)縫光(guang)束質量分(fen)析儀。PC顯(xian)示屏(ping)顯(xian)示掃(sao)描了兩個方(fang)向并(bing)重(zhong)建(jian)的光(guang)束截面。

掃(sao)描系統(tong)的(de)空(kong)間(jian)(jian)分辨(bian)率可(ke)以高達幾微米，甚至接近于(yu)1微米（尤其是(shi)掃(sao)描針孔或狹縫），適(shi)用(yong)于(yu)表(biao)征小直徑(jing)光束。掃(sao)描的(de)一個重要(yao)(yao)優點(dian)是(shi)光電(dian)探測器不需要(yao)(yao)具有(you)很(hen)高的(de)空(kong)間(jian)(jian)分辨(bian)率，因此適(shi)用(yong)于(yu)不同波長區(qu)域的(de)探測器都能使(shi)用(yong)。另外，與相(xiang)機(ji)式(shi)(shi)相(xiang)比(bi)，這(zhe)種方法也(ye)可(ke)以得到更大的(de)動態范圍。可(ke)以承擔的(de)功率從mW到W量級。也(ye)很(hen)容(rong)易在進(jin)入探測器間(jian)(jian)進(jin)行光束衰減(jian)，因為它需要(yao)(yao)的(de)光束質量比(bi)相(xiang)機(ji)式(shi)(shi)系統(tong)低很(hen)多。

掃(sao)描光(guang)束(shu)質量分析儀特別適用于光(guang)束(shu)截面接近(jin)于高斯型光(guang)束(shu)的情況，尤其是(shi)采用狹縫或者刀口掃(sao)描的系統，因為，記錄的信號(hao)通(tong)常(chang)在一(yi)個空間方向(xiang)，因此重(zhong)塑復雜的光(guang)束(shu)形狀通(tong)常(chang)得到的結果不是(shi)很理(li)想。

有(you)些掃描光束質量分析儀可以用(yong)于脈沖(chong)激(ji)(ji)光光束，例如來自于調Q激(ji)(ji)光器的(de)光束。但(dan)是，它只適用(yong)于足夠高的(de)脈沖(chong)重(zhong)復速率(lv)的(de)情形(xing)；需要注意的(de)是，min的(de)重(zhong)復速率(lv)與光束直(zhi)徑有(you)關。

需(xu)要考慮的一些因素(su)

在選擇光譜質量(liang)分析儀用于(yu)某一應用中時有很多要求：

光束(shu)(shu)半徑(jing)或直徑(jing)的(de)范圍(wei)是多少？需要(yao)的(de)準度是多少？需要(yao)采用哪種光束(shu)(shu)半徑(jing)的(de)定義？

光束是(shi)否接近(jin)于高斯(si)型？或者是(shi)否具(ju)有復雜(za)的形狀(zhuang)？

光(guang)(guang)功(gong)率(lv)的范(fan)圍(wei)是多(duo)少（通常與光(guang)(guang)束半(ban)徑(jing)有關）？是否需(xu)要大動態(tai)范(fan)圍(wei)的器(qi)件，或者裝置工作在很(hen)窄(zhai)的光(guang)(guang)功(gong)率(lv)范(fan)圍(wei)能否符合要求？是否需(xu)要可調(diao)衰減器(qi)？

裝(zhuang)置是否需(xu)要(yao)連接到一(yi)個(ge)PC上，或者裝(zhuang)置需(xu)要(yao)具有內(nei)置的電子裝(zhuang)置來顯示(shi)結果？

需要(yao)(yao)什(shen)么(me)樣(yang)的軟(ruan)件？例如，需要(yao)(yao)直(zhi)接顯示哪個(ge)光(guang)束參數(shu)？是(shi)否需要(yao)(yao)在很大的光(guang)束半(ban)徑和功(gong)率范圍(wei)內測量光(guang)束參數(shu)？是(shi)否需要(yao)(yao)數(shu)據記錄特性？

裝置(zhi)是否需要處理隨時(shi)間變化功(gong)率的光束，例如(ru)來自于調Q激光器？

為了(le)得(de)到全部的光束質量特性(xing)：裝(zhuang)置是否需要(yao)自動記錄在不同位(wei)置處的光束截面和計算 M2因子？

光束衰減

大多數情況下，尤其是相機式系統，光束在進入(ru)質(zhi)量分析儀之(zhi)前(qian)需(xu)要先(xian)進行衰減(jian)。有些系統在傳播過程中采用光衰減(jian)器（例如，楔形中性密度濾波器）；有時也利用高質(zhi)量玻璃片的弱反射。
盡管衰減(jian)是(shi)一(yi)個(ge)很重要的(de)任務，若(ruo)采用(yong)不恰當(dang)的(de)方法就會(hui)產生很多問題(ti)。例如：
有些(xie)衰減器(qi)具有不是很高的(de)(de)光(guang)學質量，或者會由于表面的(de)(de)反射(she)引起干涉效應因此(ci)破壞窄線寬(kuan)光(guang)束(shu)的(de)(de)光(guang)束(shu)質量。

吸收濾波器(qi)在高功率情況下會(hui)降低光束質量，因為這時存(cun)在熱(re)學(xue)效應。

不建議采用(yong)高(gao)反射率(lv)的電介(jie)質反射鏡用(yong)于光束質量的測量，因為其參與(yu)透射率(lv)與(yu)反射鏡的位(wei)置密切相(xiang)關。

光學表面(mian)的(de)(de)近(jin)于(yu)布儒斯特角的(de)(de)p偏振的(de)(de)弱反(fan)射光也是不需要(yao)的(de)(de)，因為這種工作條件(jian)下s偏振光具有很高(gao)的(de)(de)反(fan)射率，因此(ci)在激(ji)光增益(yi)介質(zhi)中引起去極化現象。

有(you)些(xie)方法(fa)提供的衰(shuai)減是非常粗(cu)的不可(ke)調(diao)的，這種探(tan)測器很難得到峰值功率。

裝置是(shi)否(fou)方(fang)便(bian)也是(shi)一個考慮因素(su)。例如，如果可以采用電子(zi)學自動調節衰減因子(zi)是(shi)非常便(bian)利的。

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