一文了解CMOS相机的激光光束分析仪

激光光束分析仪的工作原理

激光光束分析仪是用于测量和分析激光光束的仪器。其工作原理基于对光束传输函数的测量。光束传输函数描述了光束在传输过程中的变化情况，可以通过测量传输过程中光束的大小、强度分布和相位变化来获得。

激光光束分析仪测量系统的组成

激光光束分析仪的测量系统主要由光学元件、探测器和数据处理系统组成。光学元件用于对光束进行调制和聚焦，探测器用于接收光束并测量其强度分布和相位变化，数据处理系统用于处理和分析测量结果。

激光光束分析仪实验研究

1）激光光束形态的测量

通过使用激光光束分析仪的测量系统，可以对激光光束的形态进行测量和分析。测量结果可以反映光束的大小、形状和偏振等特征，为激光器的设计和优化提供参考。

2 ）光束强度分布的研究

3 ）光東聚焦效果的分析

光束聚焦效果是反映光束聚焦性能的参数，对于激光器的应用效果和成像质量具有重要的影响。通过使用激光光束分析仪的测量系统，可以对光束聚焦效果进行测量和分析，从而评估激光器的聚焦性能和找出存在的问题。

激光光束分析仪能够验证

激光光束的形状、大小和特性，是决定激光能量能否被有效吸收的重要影响因素。激光光束尺寸的微小变化，会大大影响其功率密度。光学元件上的污染会使光束产生畸变。装配过程中的过失或光学系统随着时间的变化，也会影响光束质量。所以激光光束分析仪能够验证光学系统中的所有环节是否正常运作。

图1：光学元件上的灰尘会破坏光束的强度分布。如图，光学系统中透镜上的灰尘颗粒，导致工作面上的光束轮廓出现了明显的条纹结构。

用CMOS传感器测量光束轮廓

根据激光应用场景的不同，有时需要没有像散的光束，但有时也会需要有较大像散的光束。有些场景还需要高斯型光束、平顶光束，或者更复杂的光束。此外，在工作时，激光的焦点可能会随着时间和环境的变化而移动。

基于CMOS相机的激光光束分析仪，以一种低成本、简单的方式来测量光束质量。将相机放在光路中，光束中每个位置的相对强度被数字化记录下来。然后使用相机PC软件来显示和分析激光束在该位置的光束质量（见图1）。

CMOS相机中的传感器由数百万个独立元件组成，一起捕捉整个激光束，产生光束轮廓图像。激光光束分析仪中的CMOS传感器，与智能手机和数码相机中的传感器非常相似，只不过它是专门为测量激光光束轮廓而制造的。CMOS轮光束廓分析仪能够测量的激光波长范围为350~1150nm；该测量波长也可以通过适配器做进一步的扩展。

选择传感器和像素大小

CMOS传感器的特性决定了能够测量的激光束的最大和最小尺寸。能够测量的最小光束尺寸，由像素间距或者传感器中每个单独元件之间的距离决定。一般而言，激光束最少要辐照10个像素。所以，当相机的像素间距为5.5μm时，可以测量的激光束的最小直径应为55μm。

能够测量的最大光束尺寸，由传感器的面积决定。有些传感器尺寸非常小，只有几毫米宽；也有一些传感器不是方形而是长方形的，这不仅会限制能够测量的最大光束尺寸，也会使激光的准直变得相当困难。

激光光束分析仪的设置

为了获得高质量的激光光束轮廓，可以调整相机设置，如曝光时间（快门时间）和增益。通常，如果设置了背景减法，软件会自动调整这些参数。设置背景减法可以让相机识别环境光，这样就可以忽略环境光的影响，只显示激光光束轮廓。这个过程包括遮挡激光、拍摄图像，然后解除遮挡（见图2）。

图2：同一氦氖激光光束的两种测量轮廓图。左图没有做背景减法，测量的直径偏大，为2.77mm。右图做了背景减法，测量结果更准确，测量值为1.80mm。

光束轮廓的测量

相机安装好后对准激光，就可以拍摄光束轮廓的图像。该图像被传输到PC软件中进行分析（见图3）。在Gentec-EO软件中，图像能够以2D或3D方式查看，每个像素的相对强度以垂直轴上的高度显示。该软件还将显示传感器上光束中心的X坐标和Y坐标以及光束直径。

如果有像散，则会分别显示X轴和Y轴直径；此外，该软件还会支持其他更高阶的测量。由于计算光束直径有不同的方法，因此该软件也提供了相应的不同选项。

图3：光束直径的测量值与怎么定义直径有关。例如，对于高斯光束，“1/e²光束直径”是“半高全宽（FWHM）直径”的1.7倍。

激光光束分析仪以下是其主要功能：

当激光光束分析仪从实验室走向生产车间时，确保组装过程中多个点的光束质量，可以节省时间并减少麻烦。将光束轮廓分析仪集成到生产过程中，可以及早发现问题，将大问题转化为小问题。此外，光束轮廓分析仪还可以与自动化软件连接。

1. 光束轮廓分析

二维轮廓：实时显示激光光束的二维强度分布。

三维轮廓：生成三维强度分布图，直观展示光束形状和强度变化。

2. 光束参数测量

   光束直径：测量光束的宽度，常用1/e²或FWHM方法。

   发散角：评估光束的发散程度。

   椭圆度：测量光束的椭圆形状。

   M²因子：评估光束质量，接近1表示光束质量高。

3. 功率密度分布

   强度分布：分析光束横截面的功率密度分布。

   峰值强度：测量光束中最强点的强度。

4. 光束位置和指向稳定性

   位置稳定性：监测光束中心位置的稳定性。

   指向稳定性：评估光束方向的稳定性。

5. 光束质量评估

   光束质量因子：通过M²因子等参数评估光束质量。

   模式分析：识别光束中的模式成分，如基模和高阶模。

6. 实时监测与记录

   实时监测：实时显示光束特性，便于即时调整。

   数据记录：记录测量数据，用于后续分析和报告。

7. 多波长支持

   宽波长范围：支持多种波长的激光光束分析，适用于不同激光源。

 8. 自动校准与诊断

   自动校准：自动校准传感器和光学系统，确保测量精度。

   系统诊断：提供系统状态诊断功能，确保设备正常运行。

9. 用户友好的软件界面

   数据分析：提供多种数据分析工具，如剖面线分析、等高线图等。

   报告生成：自动生成测量报告，便于存档和分享。

10. 兼容性与扩展性

   兼容多种激光系统：适用于不同激光器和光学系统。

总结

CMOS图像激光光束分析仪功能全面，能够精确测量和分析激光光束的多种特性，广泛应用于激光研究、工业加工、医疗和通信等领域，帮助用户优化激光系统性能。帮助用户得到一致、可靠的结果。

      成都佳洋光电科技有限公司，拥有全系列（200nm-5000nm)激光光束分析仪产品，欢迎广大客户群众来电咨询。