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扫描狭缝式光束分析仪和相机式光斑分析仪的优缺点对比

作者: 时间:2022-04-18

对于光束分析仪的早期设备,扫描狭缝式光束分析仪或刀口式光束分析仪是唯一可用的光束分析仪器设备选项。扫描狭缝式光束分析仪用于分析近高斯光束的椭圆(或圆形)自由空间光束,根据光束直径采用扫描狭缝或刀口技术。然而,随着CCDCMOS传感器的出现,相机式光斑分析仪虽然逐步地应用于激光光束分析仪,但扫描狭缝检测器仍在少数激光光束特性分析应用中使用,而在这些应用中它们往往比相机式光斑分析仪的检测器具有技术优势。所以,对于如何选择光束分析仪来测量激光束需要知道两者间的相对优缺点。

狭缝式光束分析仪通过转盘的狭缝对依次扫描整个光束截面(见图1),其中一组的狭缝沿光束X轴扫描,另一组的狭缝沿Y轴扫描,XY轴由用户定义,一般都是对应椭圆的长轴和短轴。光束透过狭缝入射到光电探测器上,光强测量结果对应狭缝位置,在狭缝扫描的过程中采集这些数据,通过光电探测器测量和记录进入狭缝的所有光的总和。如果已知狭缝移动的速度,则可以通过光电探测器测量确定光束沿狭缝传播轴的轮廓(见图2a和图3a),描描狭缝光束质量分析仪装置的圆盘(左)通过光束旋转狭缝,在圆盘(右)后面,一个光电探测器记录进入狭缝的能量总和。

1:扫描狭缝光束质量分析仪装置的示例

与基于CCDCMOS传感器的相机式光斑分析仪相比,狭缝式光束分析仪的第一个优势是更高的分辨率。目前,激光光束轮廓分析仪提供的最小像素尺寸约为3 µm,因此被测光束必须至少为30 µm,因为DataRay通过实验,对于光束宽度测量,至少应照亮十个像素。从理论模型来看,10个照明像素对应大约10%的误差,而实验数据表明达到了5%的误差。然而,扫描狭缝光束质量分析仪设备可提供更好的0.1 µm分辨率,并允许对低至2 µm的光束进行轮廓分析。因此,当测量非常小的光束时,在如何选择光束分析仪时,首选扫描狭缝光束质量分析仪装置。除了对小光束进行轮廓分析外,扫描狭缝光束质量分析仪设备还具有较大的波长范围。相机式光斑分析仪的硅探测器难以对1200 nm以上的波长进行成像,但扫狭缝式光束分析仪可以同时使用硅和InGaAs光电探测器,这显著扩展了设备的波长范围。DataRay Beam R2扫描狭缝式光束分析仪检测器可以分析190–2500 nm 的光束。DataRay 生产两种类型的扫描狭缝光束轮廓仪,获得专利的BeamMap系列,可提供实时、发散、聚焦和对准管理,以及Beam R系列,提供经济实惠、紧凑和精确的光束轮廓。DataRay所有的扫描狭缝光束轮廓仪均配备SiGeInGaAs探测器,覆盖波长从190 nm2500 nm。图2(a)通过扫描狭缝光束质量分析仪装置进行测量的高斯光束示例中,灰色箭头表示狭缝允许通过光电探测器的光束能量部分,能量由光电探测器测量并绘制为光束轮廓中的一个点。对于x轴和y轴都显示了总能量分布。图2(b) 相机式光斑分析仪检测器测量的高斯光束示例中,通过使用穿过光束中间的像素行(x轴)或列(y轴)(由红色箭头表示)来确定其能量分布。DataRay生产三个系列的相机式光斑分析仪:WinCamDBladeCamTaperCamD相机系列,这些基于CMOS VO微测辐射热计探测器的相机式光束分析仪涵盖从190 nm16 μm的广泛不同波长。

2(a)通过扫描狭缝光束质量分析仪装置进行测量的高斯光束;

2(b)CCDCMOS传感器相机检测器测量的高斯光束

在进行光束特性分析中,高斯光束通过扫描狭缝光束质量分析仪装置进行测量中(图3a),灰色箭头所表示光束的部分被加在一起以表示光束轮廓上的每个点。而高斯光束通过CCDCMOS传感器相机检测器进行测量中,通过使用穿过光束中间的像素行(x 轴)或列(y轴)来找到能量分布。相比较,图3a)中的总和轮廓不提供沿图3b)中xy轴的实际光束轮廓的直接表示。

尽管相机式光斑分析仪的波长有限且分辨率低于狭缝式光束分析仪,但它们可以显示光束的完整二维轮廓,从而可以进行更准确的光束测量。基于CCDCMOS传感器相机的检测器通过使用一行或一列像素来测量光束的强度分布,从而确定光束沿主轴的精确轮廓。扫描狭缝光束质量分析仪显示沿行进轴的总光束轮廓,对于相对纯的TEM00高斯光束,这没有太大的误差问题,此时可看作沿狭缝的总和代表了实际的光束轮廓(图2a和图2b)。然而,对于高阶模式的高斯光束的情况下如何选择光束分析仪,光束的总轮廓与光束的实际轮廓不匹配(图3a和图3b),因此扫描狭缝光束质量分析仪返回的光束轮廓不准确。另外,基于CCDCMOS传感器的相机式光斑分析仪相对于扫描狭缝设备的另一个优势是能够通过使用二次矩阵进行更准确的光束测量。二阶矩计算光束分布的方差以确定光束宽度和其他参数。由于在二阶矩阵计算光束分布计算中使用了二维数据,因此使用CCDCMOS传感器相机检测器时,二阶矩测量的精度更高。

虽然扫描狭缝式光束分析仪在处理某些波长范围或非常小的光束时是有利的,但基于相机的检测器能够获得更完整的光束轮廓,这在测量具有大量高阶模含量的光束时尤其重要。在光束轮廓分析仪中,DataRay提供BeamMap系列和Beam R系列;其中,DataRay BeamMap系列可提供实时、发散、聚焦和对准管理,而DataRay Beam R系列,提供经济实惠、紧凑和精确的光束轮廓。DataRay所有的扫描狭缝光束轮廓仪均配备SiGeInGaAs探测器,覆盖波长从190 nm2500 nm,以满足各种激光波长状态下的使用;在相机式光斑分析仪中,DataRay提供三个系列的相机式光斑分析仪:WinCamDBladeCam TaperCamD 相机,这些光束分析相机满足从190 nm16 μm 的不同波长的应用。通过这篇文章,解释了扫描狭缝式光束分析仪和基于相机的轮廓仪的相对优缺点,对于我们如何选择光束分析仪、选择使用什么类型的光束分析仪来测量激光束有更好的帮助。


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