涡旋光到激光阵列 DataRay助力中红外复杂光束的全维度分析
2026-05-18 来源:本站 点击次数:28
在光通信、量子技术与精密传感等领域，能够操控光场形态的结构光（如涡旋光束）正成为前沿焦点。特别是2μm中红外波段，因其大气透过率高、对生物组织作用独特，被视为下一代自由空间通信与生物光子学的关键窗口。
然而，要在此波段“塑造”并应用这些复杂光场，研究人员首先面临一个基础的、却至关重要的挑战：如何“看见”并精确量化这些不可见光场的真实形态、相位与质量？无论是验证一个简单的涡旋光斑，还是分析一个多奇点的激光阵列，精准的测量都是将理论设想转化为可靠成果的基石。
这正是DataRay WinCamD-IR-BB中红外光束质量分析仪的核心用武之地。近期，一项发表在《Optics Express》上的研究，正是利用该设备，成功实现了对2μm陶瓷激光器腔内产生的矢量涡旋光的全面表征。下面，我们通过这个案例，来揭示它如何破解高端光学研发中的表征难题。
2μm的Tm:Y₂O₃陶瓷激光：腔内直接产生矢量涡旋光阵列
该论文的创新点在于，首次使用了光学各向同性的Tm:Y₂O₃陶瓷作为增益介质。这种材料本身没有固有双折射，就像一块均匀的玻璃，如何让它产生具有特定偏振分布的矢量光呢？答案是精密操控“热致双折射”效应——即通过非共线泵浦等方式在晶体内部构造精确的热梯度与应力，从而“塑造”出所需的偏振态。
但这引出了另一个更具体的实验挑战：如何实时、精确地观测、测量并验证这些在腔内直接生成的、看不见摸不着的复杂光场？
研究人员需要用实验来回答：生成的光斑模式是否纯净？是标准的“甜甜圈”形涡旋光吗？其轨道角动量（拓扑荷）是多少？不同偏振态的模式转换是否成功？光束质量（M²因子）究竟如何？这些关键数据的准确性才能保证创新性结论具有说服力。
解决方案：DataRay WinCamD-IR-BB 光束质量分析仪
面对上述挑战，研究团队在实验光路中引入了一个关键设备：DataRay的WinCamD-IR-BB中红外光束质量分析仪。正如论文“实验装置与方法”部分所述，这台中红外CCD（分辨率17μm）承担了记录激光光束轮廓的核心任务。它的作用贯穿了整个研究的验证与量化过程：
1. 模式生成：高纯度涡旋光斑成像：对于生成的四种矢量涡旋光（线偏振、椭圆偏振、反径向偏振、反角向偏振），论文中每一个展示光斑形态的插图都是由WinCamD-IR-BB拍摄。它直观地证实了激光器成功输出了设计中的空心涡旋光束，这是所有后续分析的基础。如图2(b)， 3(b)， 4(c)， 5(c)。
2. 相位特征的解码：拓扑电荷的干涉验证：涡旋光束的核心特征是螺旋相位和拓扑电荷。团队使用马赫-曾德尔干涉仪对其进行验证，而干涉图样的采集同样离不开WinCamD-IR-BB。如图2(d1,d2)或3(d1,d2)。
3. 光束性能的量化：M²因子与模式纯度的精准测量：M²因子测量：所有输出模式的M²因子经测量均在2.03至2.3之间，与理想拉盖尔-高斯模（LG₀,±₁）的理论值（2）高度吻合，证明了出色的光束质量。如图2(e)， 2(f)。
图2：由WinCamD-IR-BB直接拍摄的四种矢量涡旋光斑实图，清晰展示了中空环状结构，证明了激光器的直接生成能力。通过干涉实验获得的“叉形”干涉条纹，直接证明了输出光束具有螺旋波前，其拓扑电荷为±1。这些关键的相位信息由WinCamD-IR-BB精准记录。
4. 复杂结构的描绘：涡旋阵列的可视化与验证：
研究更进一步，生成了由多个相位奇点构成的光学涡旋阵列。WinCamD-IR-BB成功捕获了这些复杂的光场结构，其拍摄的实验结果与理论模拟的预测几乎完全一致，实现了从理论模拟到实验验证的完整闭环。
图6展示了复杂光学涡旋阵列的生成与验证。理论模拟的涡旋阵列（左列）与WinCamD-IR-BB实际捕获的光斑（右列）对比。与理论模拟（左列）高度一致，验证了复杂结构光场生成的可控性。该设备清晰呈现了多个相位奇点（涡旋）的分布，证明了研究人员对复杂结构光场进行可控生成的能力。
DataRay WinCamD-IR-BB 光束质量分析仪
WinCamD-IR-BB是一款专为中远红外（MWIR至FIR）波段激光设计的成像解决方案。WinCamD-IR-BB具备17 µm像素尺寸、2-16 µm波长探测范围及集成机械快门，提供卓越的光束分析性能。其超过1000:1的信噪比支持符合ISO 11146标准的光束测量。基于氧化钒微测热辐射计的传感器具有超高灵敏度，集成快门设计可实现全自动非均匀性校正（NUC）
示例应用：
l MWIR/FIR/CO₂激光光束质量分析
l MWIR/FIR/CO₂激光器和激光系统的现场调试和故障诊断
l 光束漂移监测与长期记录
l 自由电子激光（FEL）、太赫兹波源特性分析。
l 使用可用的 M2DU 平台进行 M² 测量
配置软件：
DataRay 提供功能齐全、高度可定制、以用户为中心的软件支持，该软件无许可费、无限制安装和免费软件更新。该软件功能齐全，易于使用，是专为实现快速准确的激光光束分析而设计。Dataray软件特点鲜明，功能齐全，可以进行M2测量，激光发散角测量，激光轮廓拟合，还支持定制，全程免费且支持更新。
DataRay光斑分析仪的软件提供了一套全面的光束轮廓测量仪器，包括：直径、质心、方向、椭圆度、相对通量，M2测量等，且包含 ISO 标准 11146、11145 和 13694中定义的测量值。在测量的过程中还可以使用Dataray软件的专有 HyperCal 算法实现连续、简单易用的降噪。该软件利用 OpenGL 显示光束的2D和3D图像，并且能够支持非常高的帧速率，还可以显示一维线轮廓，用户可以选择光束的任意切片或自动定向到被测光源。Gaussian和TopHat拟合都可以使用定量指标来执行。在生成结果方面，数据可以以多种格式（CSV、TIFF、BMP）导出。DataRay独特的文件格式允许在调用数据时恢复所有设置。记录每帧或指定的时间间隔的数据，还可以对长期测试进行简单分析并自动生成PDF报告。
如果您也在从事中红外激光、结构光场、涡旋光束等方向的研究，欢迎联系我们获取WinCamD-IR-BB的更多技术资料或样机测试机会。
然而，要在此波段“塑造”并应用这些复杂光场，研究人员首先面临一个基础的、却至关重要的挑战：如何“看见”并精确量化这些不可见光场的真实形态、相位与质量？无论是验证一个简单的涡旋光斑，还是分析一个多奇点的激光阵列，精准的测量都是将理论设想转化为可靠成果的基石。
这正是DataRay WinCamD-IR-BB中红外光束质量分析仪的核心用武之地。近期，一项发表在《Optics Express》上的研究，正是利用该设备，成功实现了对2μm陶瓷激光器腔内产生的矢量涡旋光的全面表征。下面，我们通过这个案例，来揭示它如何破解高端光学研发中的表征难题。
2μm的Tm:Y₂O₃陶瓷激光：腔内直接产生矢量涡旋光阵列
该论文的创新点在于，首次使用了光学各向同性的Tm:Y₂O₃陶瓷作为增益介质。这种材料本身没有固有双折射，就像一块均匀的玻璃，如何让它产生具有特定偏振分布的矢量光呢？答案是精密操控“热致双折射”效应——即通过非共线泵浦等方式在晶体内部构造精确的热梯度与应力，从而“塑造”出所需的偏振态。
但这引出了另一个更具体的实验挑战：如何实时、精确地观测、测量并验证这些在腔内直接生成的、看不见摸不着的复杂光场？
研究人员需要用实验来回答：生成的光斑模式是否纯净？是标准的“甜甜圈”形涡旋光吗？其轨道角动量（拓扑荷）是多少？不同偏振态的模式转换是否成功？光束质量（M²因子）究竟如何？这些关键数据的准确性才能保证创新性结论具有说服力。
解决方案：DataRay WinCamD-IR-BB 光束质量分析仪
面对上述挑战，研究团队在实验光路中引入了一个关键设备：DataRay的WinCamD-IR-BB中红外光束质量分析仪。正如论文“实验装置与方法”部分所述，这台中红外CCD（分辨率17μm）承担了记录激光光束轮廓的核心任务。它的作用贯穿了整个研究的验证与量化过程：
1. 模式生成：高纯度涡旋光斑成像：对于生成的四种矢量涡旋光（线偏振、椭圆偏振、反径向偏振、反角向偏振），论文中每一个展示光斑形态的插图都是由WinCamD-IR-BB拍摄。它直观地证实了激光器成功输出了设计中的空心涡旋光束，这是所有后续分析的基础。如图2(b)， 3(b)， 4(c)， 5(c)。
2. 相位特征的解码：拓扑电荷的干涉验证：涡旋光束的核心特征是螺旋相位和拓扑电荷。团队使用马赫-曾德尔干涉仪对其进行验证，而干涉图样的采集同样离不开WinCamD-IR-BB。如图2(d1,d2)或3(d1,d2)。
3. 光束性能的量化：M²因子与模式纯度的精准测量：M²因子测量：所有输出模式的M²因子经测量均在2.03至2.3之间，与理想拉盖尔-高斯模（LG₀,±₁）的理论值（2）高度吻合，证明了出色的光束质量。如图2(e)， 2(f)。
图2：由WinCamD-IR-BB直接拍摄的四种矢量涡旋光斑实图，清晰展示了中空环状结构，证明了激光器的直接生成能力。通过干涉实验获得的“叉形”干涉条纹，直接证明了输出光束具有螺旋波前，其拓扑电荷为±1。这些关键的相位信息由WinCamD-IR-BB精准记录。
4. 复杂结构的描绘：涡旋阵列的可视化与验证：
研究更进一步，生成了由多个相位奇点构成的光学涡旋阵列。WinCamD-IR-BB成功捕获了这些复杂的光场结构，其拍摄的实验结果与理论模拟的预测几乎完全一致，实现了从理论模拟到实验验证的完整闭环。
图6展示了复杂光学涡旋阵列的生成与验证。理论模拟的涡旋阵列（左列）与WinCamD-IR-BB实际捕获的光斑（右列）对比。与理论模拟（左列）高度一致，验证了复杂结构光场生成的可控性。该设备清晰呈现了多个相位奇点（涡旋）的分布，证明了研究人员对复杂结构光场进行可控生成的能力。DataRay WinCamD-IR-BB 光束质量分析仪
WinCamD-IR-BB是一款专为中远红外（MWIR至FIR）波段激光设计的成像解决方案。WinCamD-IR-BB具备17 µm像素尺寸、2-16 µm波长探测范围及集成机械快门，提供卓越的光束分析性能。其超过1000:1的信噪比支持符合ISO 11146标准的光束测量。基于氧化钒微测热辐射计的传感器具有超高灵敏度，集成快门设计可实现全自动非均匀性校正（NUC）
示例应用：l MWIR/FIR/CO₂激光光束质量分析
l MWIR/FIR/CO₂激光器和激光系统的现场调试和故障诊断
l 光束漂移监测与长期记录
l 自由电子激光（FEL）、太赫兹波源特性分析。
l 使用可用的 M2DU 平台进行 M² 测量
配置软件：
DataRay 提供功能齐全、高度可定制、以用户为中心的软件支持，该软件无许可费、无限制安装和免费软件更新。该软件功能齐全，易于使用，是专为实现快速准确的激光光束分析而设计。Dataray软件特点鲜明，功能齐全，可以进行M2测量，激光发散角测量，激光轮廓拟合，还支持定制，全程免费且支持更新。
DataRay光斑分析仪的软件提供了一套全面的光束轮廓测量仪器，包括：直径、质心、方向、椭圆度、相对通量，M2测量等，且包含 ISO 标准 11146、11145 和 13694中定义的测量值。在测量的过程中还可以使用Dataray软件的专有 HyperCal 算法实现连续、简单易用的降噪。该软件利用 OpenGL 显示光束的2D和3D图像，并且能够支持非常高的帧速率，还可以显示一维线轮廓，用户可以选择光束的任意切片或自动定向到被测光源。Gaussian和TopHat拟合都可以使用定量指标来执行。在生成结果方面，数据可以以多种格式（CSV、TIFF、BMP）导出。DataRay独特的文件格式允许在调用数据时恢复所有设置。记录每帧或指定的时间间隔的数据，还可以对长期测试进行简单分析并自动生成PDF报告。
如果您也在从事中红外激光、结构光场、涡旋光束等方向的研究，欢迎联系我们获取WinCamD-IR-BB的更多技术资料或样机测试机会。
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