光纖雷射器正日益廣泛地應用於標記、加工、材料熔化中，或利用複雜的圖案和形狀來修飾材料。在這些應用中，雷射功率從幾瓦到幾千瓦不等，與其它同功率的雷射器相比，光纖雷射器的關鍵優勢在於其發射的光束比其他雷射器的光束更接近於高斯光束。因此，有效的光束分析技術將在評價光纖雷射器、預測其在相關領域的應用效果和最大限度發揮光纖雷射技術潛力等方面發揮越來越重要的作用。
光束剖面圖用來測量光束的空間能量分布。該剖面圖能提供定性分析，如「熱區」的肉眼觀察或雷射光束質量的整體評價。光束剖面圖也可以用於定量分析，如光束直徑、光束位置或M2。定量數據對於光學產品裝配中的透鏡準直和雷射器的定量參數尤其重要。採用以下幾個光束分析方法可以獲得這些定性和定量的數據。
傳感器陣列
採用矽CCD和CMOS探測器陣列的相機在光學實驗室和光學加工車間中隨處可見。利用這些相機可以方便地獲得雷射剖面圖，但矽傳感器不能暴露在用於機件鋼加工和外科手術的雷射器的輸出端。因此，為了使傳感器不受損傷，需要進行光束強度衰減。此外，必須在探測器未飽和前提下才能產生有意義的剖面圖，這就需要額外的光束強度衰減。
對功率為1W或更高的雷射束進行衰減時需要使用反射衰減，因為吸收式的衰減器會過分受熱，造成熱損傷或熱膨脹，從而導致光束剖面圖扭曲。一般來說，對於矽探測器，功率為1～1000W的光束必須衰減9～12個量級。由此帶來的問題是衰減後的光束能在多大程度上與原來的光束保持一致。草率的進行衰減會導致不良後果，儘管可能會在一定程度上保持光束完整性（見圖1）。
陣列探測器的優勢在於能產生光束的二維圖像，從而提供直觀定性的信息，同時也為探測光束中的熱區提供了一個好方法。然而對於一些定量的信息，如光束直徑、光束位置等，的精密測量，傳感器陣列通常不是最佳選擇。陣列探測器的適宜性還取決於被分析的光束的直徑。
以直徑大於100μm的光束為例，利用矽探測器陣列對光束進行測量分析，其精度在3％到5%之間。更高精度的測量可以利用刀口法。矽探測器工作的波長範圍在190nm到1100nm之間，而許多光纖雷射器的工作波長大於1100nm，因此光束分析還必須使用其它像素大小為幾十微米的陣列探測器，如銦鎵砷（InGaAs）陣列探測器、攝像管探測器和熱電陣列探測器等。這些探測器不僅成功地應用於高功率光束分析，其像素尺寸還可以對直徑大於500μm 的光束進行分析並提供有意義的數據。此外，採用這些探測器的相機價格昂貴。
移動測量法
移動測量法為高功率雷射器的測量帶來了便利。這種測量方法是指移動一條狹縫、刀口或小孔穿過光束，並測量通過移動孔徑或狹縫的光。通過比較狹縫的位置和探測器信號，得出剖面圖。狹縫比小孔更容易實施，並且空間解析度比刀口的要高。在狹縫中，光束剖面圖是通過比較狹縫位置和探測器信號決定的，從而保證了光束直徑測量的高精度[1]。利用旋轉的鼓狀物上成直角分布的兩條狹縫可以產生正交的剖面圖（見圖2）。
狹縫也可以看作物理衰減器，只讓一小部分光透過。這有益於高功率光源的測量，因為探測器每次只能探測到剖面的一小部分。利用熱電探測器和反射式狹縫可以對功率高達幾千瓦的光束直接進行剖面分析而無需任何光束強度衰減，從而減小了系統複雜度和系統誤差。此外，利用狹縫輪廓儀測量光束的直徑和位置，其解析度可以達到亞微米，這是利用傳感器陣列測量所達不到的。這些輪廓儀測量的動態範圍達到四到六個數量級，並具有很強的靈活性。對波長大於1100nm的光束更是如此，此時可利用的傳感器陣列的像素尺寸為幾十個微米。
狹縫輪廓儀尤其適用於M2的測量，這對於光纖雷射器很重要。和相同功率下運行的其他雷射器相比，光纖雷射器擁有近高斯光束和衍射極限性能。M2 的測量是指測量一系列沿光傳播方向的光束直徑，由此繪出由透鏡產生的光腰圖形。由於光束直徑沿光腰方向不斷變化，因此必須在大範圍內隨時捕獲不斷變化的功率密度。M2的測量需要在不同的功率密度下進行，因此狹縫輪廓儀的高動態範圍，使得繪製光腰並生成計算結果變得簡單易行。
狹縫輪廓儀的一個缺點是它不能測量重複率低於1kHz的雷射脈衝。對於重複頻率低於1kHz的光纖雷射器，通常需要陣列探測器。儘管正交剖面圖能提供二維能量分布信息，但由於狹縫輪廓的自身缺陷，會不可避免地丟失一些二維空間信息。
角度輻射計
角度輻射計常用作輪廓儀來測量發散角大於或等於10○的高功率雷射束。許多光纖雷射器就屬於此範疇。由數值孔徑（NA）表徵的光纖的光束髮散特性對於選擇正確的光學器件來調整光束保證其高效率地工作而言是一個重要因素，因而引起了許多光纖雷射器製造商的重視。光纖的模場直徑（MFD）同樣值得關注，因為它關係到光纖的耦合效率並可以用來監測光纖的製造過程。
光束的發散源對於正確繪製剖面圖是一個極大的挑戰。衰減發散光束的功率是不可取的，因為大多數衰減機制對發散光束邊緣的衰減比中心處要大，使光束看起來比實際情況要細。發散光束在空間傳播時迅速膨脹，導致其光束直徑常常大於探測器的接收範圍，因此要求對光束直徑進行適當縮減以匹配探測器。因此，發散源的照相剖面圖很難實現，而且結果常常不正確。
角度輻射計通過產生角度剖面圖克服了以上的缺點。在該剖面圖中，測試源位於圓周中心，探測器以固定半徑旋轉。在任何特定時刻探測器只分析光束的一小部分，因而比其它方法更容易描述高功率雷射器的特性，而且幾乎不存在衰減。探測器經常被固定在一個移動臂上，測試源和探測器之間沒有任何其它的光學元件，從而消除了一個潛在的測量誤差源。測量時可以旋轉樣品或移動臂進行角度掃描測量並生成測試源的三維圖像。（見圖3）
雖然角度輻射計克服了發散源的測量困難，但移動臂使測量速度變慢。一種快速角度掃描技術能夠進行實時單軸掃描，並能產生完整的三維掃描圖像。這種技術已經在發散雷射器二極體和各種類型光纖雷射器的測量中得到了證明。[2-5]
參考文獻
1. T. F. Johnson and J. M. Fleischer, Applied Optics 35(10) 1719 (1996).
2. D. Peterman and J. Guttman, Laser Focus World (July 2001).
3. J. L. Guttman, J. M. Fleischer, and A. M. Cary, Munich Laser Conf., Munich, Germany, June 2001.
4. J. L. Guttman, R. Chirita, C. D. Palsan, NIST Special Publication 953, Symp. Optical Fiber Measurement, 69 (2000).
5. J. L. Guttman, NIST Spec. Pub. 988, Symp. Optical Fiber Measurement, 33 (2002).