使用Beammap2测量光束质量M2的调试过程

DataRay的Beam'R2和BeamMap2都是具有相同工作原理的扫描狭缝测绘设备，兼备了扫描式狭缝和刀口式狭缝工作模式，可测量光束质量M2等实时光束分析。旋转圆盘上的狭缝方向是相互正交的，光电探测器位于圆盘后面。当狭缝扫过光束时，通过旋转圆盘的后光束到达探测器的功率将变化数据，这些数据被用仪器创建X和Y曲线，并计算出各种光束参数。图1展示了当狭缝从左到右扫过光束时，光束轮廓是如何构建的。

图1 狭缝横穿光束时的剖面结构

Beam'R2使用两对x-y狭缝，两对狭缝分别是宽度为2.5μm和25μm (InGaAs为5和50µm)，而DataRay的BeamMap2代表了一种完全不同的实时光束分析方法，它通过允许沿光束行程的多个位置进行测量，扩展了Beam'R2的测量光束质量M2等功能，这种实时狭缝扫描系统在旋转圆盘上不同的Z轴位置安装4对狭缝，从而在光束质量M2调试中实现实时、多平面测量。图2 在Beam'R2操作手册和Beammap2操作手册说明了这两个圆盘之间的区别：

图2 Beam'R2狭缝扫描示意图（左）和BeamMap2狭缝扫描示意图（右）

扫描式狭缝模式适合光束直径至少四倍于狭缝的情况，所测光束和狭缝重叠时，只有狭缝宽度的部分光束能透过，光电探测器随着狭缝扫过整个光束进行光强采样。刀口式狭缝适用于光束直径小于狭缝宽度的光束。在刀口模式下，扫描狭缝透过的光束从0到100%变化，然后在整个光束进入刀口时达到一个峰值，随着狭缝继续扫描光束，会逐渐减小直到再次变为零。光束的直径便可以通过分析光电探测器响应的上升来确定。另外，扫描狭缝装置中的扫描式狭缝和刀口式狭缝还具有很大的波长范围，而相机式模式中的硅探测器难以对1200纳米以上的波长进行成像，另外，扫描狭缝装置可以同时使用硅和InGaAs光电探测器，大大扩展了设备的波长范围。

BeamMap2代表了一种完全不同的实时X、Y、Z、Θ、Φ光束剖析方法，获得专利的多平面实时狭缝扫描系统与True2DTM蓝宝石狭缝技术上的多层金属薄膜相结合。BeamMap2可测的物理量和特点有：实时测量光束质量M2；实时诊断聚焦和对准误差；测量非常小的激光束轮廓；测量光束的准直/发散/指向性。

下面主要对Beam'R2操作手册和Beammap2操作手册进行展述，通过DataRay操作手册对光束质量M2调试过程和操作方法上进行简要的介绍。

安装BeamMap2/Beam'R2时，USB2.0电缆连接到计算机的USB2.0兼容端口上。启动对应的驱动软件后，设备LED将依次显示“Off, Red, Green”，设置后便可以开始测量。

Beam'R2操作手册：

1.遵循软件和硬件的安装说明；

2.确保光束低于设备规格的最大辐照度限制；

3.确保至少有可用于光束定位的至少X和Y对准调整；

4.启动相机的绿色按钮，显示“Beam'R2.[FW version] Ready”后启动探测器；

5.打开激光光源，光束大致对准设备的输入孔中心；

6.如果光束对准得很好，在对准面板中标志着光束中心点的圆形形状；

7.继续通过观察中心点标记的移动情况，继续小范围调整光束的对齐；

8.在软件面板上读取光束直径和其他测量参数。

图3 Beam'R2软件面板

BeamMap2操作手册:

1.遵循软件和硬件的安装说明；

2.确保光束低于设备规格的最大辐照度限制，要测量光束质量M2，它必须是一束聚焦的光；

3.确保有X，Y，Z，Θ，和Φ的对齐调整；

4.点击显示“BeamMap2[FW version] Ready”按钮，准备启动探测器；

5.打开激光光源，光束大致对准设备的输入孔的中心；

6.光束中心点、指向（孔径）和焦点位置必须对准；

7.通过观察中心点标记的情况，继续小范围调整光束的对齐；

8. 在软件面板上读取光束直径和其他测量参数。

图4 BeamMap2软件面板

在软件面板的工具栏上，鼠标悬停在任何按钮上可以显示其功能并进行选择。

另外，在BeamMap2的M2对话框上（如图5），在光束质量M2调试中的“Clip[a]”光束直径定义必须设置为“Sigma x4”；平均值应至少设为5；波长必在设置菜单中输入后不能在测量后保存的文件中改变，束腰要接近"zero"平面，“Zo/Zr”<0.20。

图5 BeamMap2的M2设置对话框

•M：对于TEM00高斯光束来说等于1.0，对于一般光束来说>1.0。

•2Wo：束腰的直径

•Zo：相对于仪器零平面的光束腰位置，负值意味着光束腰更接近仪器的前端。

•Zr：光束的瑞利长度范围

•Pt：光束指向角，单位为mrad，也称为瞄准或内视

•Phi: 光束的远场发散角，Φ

•NA：光束的远场数值孔径。NA = sin(φ /2) = 1/2(F/#)

另外，BeamMap2在调焦中，注意以下问题：

•束腰离零平面太远而导致“Zo/Zr”框不是绿色的；

•光束在x,y中不居中，并从探测器边缘"falls off"；

•“Clip[a]”没有设置为“4xSigma”；

•光束有噪音，“4xSigma”值的计算被噪音破坏。尝试13.5%的光束直径进行；

•束腰直径对于单位平面间距来说过大（或过小），比如Zr>平面间距/12（或<平面间距/1.5）；

•光束在是否下工作

DataRay操作手册中，关于Beam'R2和BeamMap2在设备校准上配有校准证书，并提供年度重新校准。通过定期的测试，来判断设备是否因出现光束位置漂移；校准圆盘上的实际狭缝位置和角度对于校准效果是比较重要的。校准并不假定光束总是处于其标称半径上。当光束远离校准的“0,0”位置时，测量实际的中心点位置“Xc,Yc”可以确定光束中心点与旋转轴的实际径向距离“r”，从而可以校准测量的光束直径。