在激光应用领域，精确分析光斑的特性对于确保激光加工效果、光学系统性能等至关重要。激光光束检测仪作为关键的检测设备，其在光斑定义与测试方法方面有着丰富的内涵和多样的应用。
一、激光光束质量分析的重要性及原理
激光光束检测仪在诸多领域发挥着不可或缺的作用。例如在激光增材加工中，景颐光电自主研发的光束检测仪能够精确测量激光与粉末材料作用的微小区域的光斑能量分布和光束质量，这对于深入剖析激光增材加工微观过程和加工效果意义重大。
其原理主要有CCD成像和扫描法两种。其中，扫描法通过狭缝、微孔、刀口等方式快速扫描光斑大小，再借助运动机构在光束传播的不同距离进行测量，最后经理论计算反演出光束质量M2的数值。而CCD成像则是利用相机式光束检测仪，如景颐光电的产品，采用二维阵列光电传感器，直接将辐照在传感器上的光斑分布转换成图像，并通过电脑软件进行数据分析。
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二、光斑特性的关键指标
（一）光斑圆度
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光斑圆度是指光斑的拟合曲线与正圆的接近程度。尽管圆度的计算方法多样，但在不同表示方法下，圆度越趋近100%，光斑就越接近正圆。
（二）光束质量M2
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激光作为高斯光束，在传输过程中存在一处最小光斑，即“束腰”，其大小为束腰大小。此后光斑逐渐发散，引入“发散角”概念，二者乘积有理论最小值，经处理后得到光束质量M2的计算方法：
𝑀
2
=
4𝜆
𝜋
𝐷
0
𝛩
，其中𝜆为激光中心波长，
𝐷
0
为束腰光斑直径，𝛩为激光远场发散角。理想情况下，激光的光束质量M2标准值为1，实际中工业级飞秒激光器一般要求光斑圆度在95%以上，而光束质量参量之一的M2在1.2以下。
三、光斑直径的定义方法
（一）FWHM（Full width at Half maximum）
FWHM定义为光强下降到其峰值的一半时所对应横坐标两点之间的距离，按此标准测量出的实际距离即为该光束的FWHM值，此时功率占比约为76%。
（二）1/e²
光强度降为峰值光强的1/e²（13.5％）时对应的光束直径为2ω，这就是1/e²值的来源。从高斯光束光强分布方程可知，FWHM定义下的光束直径和1/e²定义下的光束直径2ω满足一定关系。
（三）D4σ
D4σ是基于光强度分布I(x, y)的二阶矩，也是ISO11146国际标准推荐使用的方法。对于基模高斯光束，D4σ表示 -2σ到2σ间的距离，σ值为沿x、y轴光强分布标准差（二阶中心矩）。在1/e²定义下的光束测量直径和D4σ定义下的测量直径对于基模高斯光束是完全相同的，但对于其他非高斯光束，这两种定义得到的计算结果可能有明显差异。
四、光束轮廓测量方法
（一）刀口法
刀口法使用刀口扫描光束，同时用光电二极管测量通过的光功率。先测出全部光束功率，然后逐渐用刀口切过光束，测出84%和16%光强对应的位置，两位置间距的两倍等于1/e²直径。刀口法装置和算法简单，但只能测量（圆形）高斯光束直径，且不能测强度轮廓。
（二）扫描狭缝光束分析仪
该分析仪有一个内置两对或多对正交狭缝的转筒，转筒绕光轴旋转使扫描狭缝穿过光路，测量的功率信号与转筒和狭缝位置相关，从而算出光束直径和强度轮廓。其优势是能承受高功率，工作范围覆盖UV到MIR波长，但一般推荐用于近似的高斯光束，因为测量高阶模光束时可能会丢失某些特性。
（三）光束相机
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光束相机能测量任意光束轮廓，但由于高灵敏传感芯片，可能需要衰减以防止饱和甚至损坏仪器，且测量时要做背景光补偿。计算强度轮廓时，每个像素的电流根据三维坐标系统处理，光束直径根据ISO11146推荐的D4σ方法计算。相机式光斑分析仪可测试连续激光、脉冲激光、单个脉冲激光，能实时监控激光光斑变化，但相机本身不能承受高强度激光照射，需将高功率激光光束先衰减到微瓦量级才能照射到相机靶面，且不能让探测器工作在饱和状态。
景颐光电的光斑分析仪（基础型）在激光光斑检测及测试应用方面表现出色。其像素大小为2.9x2.9μm，光斑检测直径范围为29μm~4.4mm，标配衰减片方便操作，还可选更高功率衰减配置，功率范围可达1000W。支持手动和自动实时曝光及增益调节，主要测量功能包括光斑直径（长轴/短轴，X/Y方向）、椭圆度、高斯拟合度、能量分布、光束位置、发散角、Pass/Fail设置等。具有高速度、高分辨率显示2D和3D伪彩色光束轮廓的特点，能实时进行光斑的伪彩色2D显示、长短轴的高斯曲线显示，支持控制相机的曝光、增益和分辨率，支持参数的统计分析，可记录和导出参数或生成报告，能读取光斑图片并测量参数，有多选择的图片保存功能，支持USB3.0接口，图形化界面易上手且可自由设置，还可定制拓展功能。
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