虽然提高激光器的功率可以加快材料加工操作的结果，但通过光束测量工具常会发现这样只会将激光能量分散到更大区域，从而降低对目标的照射度（单位面积能量）。现今的光束轮廓分析仪允许终端用户为了实现精确的照射而调整激光流程，使照射度刚好能完成任务，但是不会出现如焊接过热的情况，防止最终成果不理想。
激光操作员并不总能快速、容易地评估激光加工工具的光束质量。过去，他们依靠压舌板、橘子皮，甚至工作台末端的墙壁来观察、测量激光剖面能量的分布或光束轮廓。剃须刀片甚至也曾作为测量某些脉冲激光器强度的工具。通过测量不同脉冲激光能够穿透刀片的数量，比较不同激光光束的性能。后来，人们也曾使用肉类温度计和电冰球等设备进行测量，它们所显示的读数通常只是一个大概估计值，缺乏当今测量设备的精确性和易用性。

图1：早期的激光光束测量工具依赖烧纸，因为它能显示光束尺寸的大致量级，但不能显示定量数据以及激光腔失调而产生的光束热点或孔洞的详情（来源：Kentek公司）

得益于光学技术的应用发展，适当精确的测量系统也得到了相应发展，但测量系统既受其支持，也受其抑制。测量激光应用特性技术的同步增长，推动了激光应用的许多进展。从最初追求便捷的激光光束测量产品，到已成为现今精心设计的激光测量解决方案基础的智能、创新的产品，该技术一直在不断发展，以应对测量激光参数的挑战。这是早期激光应用成功的关键。

功率表和光束轮廓测量仪

现今，大多数激光用户都熟悉功率表。它使用半导体或热电堆传感器测量从几毫微瓦到数百千瓦的激光强度。高能脉冲激光器的使用者，用热释电或半导体传感器测量每个脉冲中包含的能量。商用激光能量传感器能够测量从微焦耳到千焦耳的脉冲，可以在不中断的情况下量化单次发射到数百千赫的脉冲频率。

图2：非冷却激光功率测量系统可以方便地对工作楼层进行强度测量，甚至对如增材制造系统那样的狭小、受限的空间进行强度测量（来源：MKS/Ophir公司）

激光的截面强度分布即光束轮廓，是另一个经常需要测量的重要参数。光束轮廓分析仪可以给出一个失调谐振腔的视觉指示或输出光，使聚焦光降能或失调，或产生其他影响传递光能量的问题。光束轮廓分析产品可测出光束的强度、尺寸、位置和径向对称性的数值分析——或平顶光束均匀性。对数据的统计分析可用于监控操作参数，寻找制造中的异常情况或趋势，记录工艺参数的一致性。

扫描孔径传感器也可用于测量光束轮廓，用短时间内以光束通过一个狭缝或微孔平移的方法进行测量。基于光圈的传感器对光学衰减的要求非常低（如果有的话），因为只有极微小的激光会通过缝隙传到单元探测器上。
基于摄像机的系统需要更多的光学衰减，因为摄像机传感器可以在辐射度低至1.0µW/cm2时饱和。用于测量光束轮廓的光衰减器可以安全地提供多达16个数量级的光衰减，对入射光束的失真很小。成功实现光衰减需要精心选择工程方案和材料。高性能材料，如激光级熔融二氧化硅，具有污染极低，透明度高，光学表面质量和平整性优异等优势，能成功满足千瓦级激光光束采样系统所必需的一些要求。

图3：现今，激光测量系统的可测量范围从毫微微瓦特到数百千瓦，从微微焦耳到数百焦耳（来源：Coherent相干公司）

轮廓分析仪

热释电、硅线阵列探测器以及扫描孔径产品，被早期的激光创新者用来监测其不可见激光束的强度轮廓。最初基于摄像机的光束轮廓仪，有模拟CID（电荷注入装置）和CCD传感器，还有近红外光谱技术（NIR），带有硫化铅光电阴极的光导摄像机。应用低分辨率热释电矩阵阵列，将从短波到长波红外范围激光束的特征描绘出来，因为这些阵列是唯一可用来探测这些波长的工具。

现今，1980年代的8位模拟相机已经升级为12位和14位的百万像素版本，具有巨大的动态范围和空间分辨率。高分辨率InGaAs摄像机在短波红外（SWIR）光谱中的轮廓光束，以及热释电和微测辐射热仪摄像机，被广泛用于监测中波和低波激光。随着模拟接口被替代，摄像机连接显著增加，高分辨率图像在摄像机中被数字化，并通过高速USB 3.0或千兆以太网电缆，被发送到安装在笔记本电脑、个人电脑或智能手机上的光束分析应用程序上。

第二代扫描孔径传感器种类繁多，可实现完整的激光光谱覆盖，从紫外线到长波红外线（LWIR）。扫描狭缝系统和扫描针孔系统对激光光束的光学衰减要求很少（如果有的话），所以非常适合高水平激光辐射度常见的工业应用领域。由于使用了特殊材料，扫描孔径和基于摄像头的光束轮廓产品现在可以监控多千瓦功率光纤和碟片激光器的聚焦区域，而不会损坏传感器或光束采样仪。

现今的功率测量

连续波或脉冲激光器的非冷却激光功率测量系统，能实现车间内可便捷使用的监测光束强度。现今的系统，比如Ophir公司的Ariel仪器，无需水冷，就能输出高达8000W功率的光，以测量典型处理功率密度下的非聚焦光束。此类仪器可用于测量增材制造、切割、焊接、热处理以及其他材料加工流程中的激光功率能量。
Coherent相干公司生产的PowerMax-Pro高速薄膜热释电传感器系列，进一步说明了光束分析是如何从实验室转入制造车间内应用的。该技术可以为用于高精细微加工和材料加工应用（如塑料焊接和玻璃雕刻）的MWIR和FWIR激光器，提供微秒级的校准功率传感水平和脉冲形状监测。

非接触测量

用于组装燃料电池和焊接电池组件的千瓦级光纤和碟片激光器，现在可以通过非接触光束轮廓系统进行监测。这些集成系统找到焦平面——沿着传播轴上最小光斑的位置——根据光束的总功率，推导出应用激光能量的辐射度分布轮廓位置。关键的操作参数——比如焦点转移或束腰位置的变化，聚焦深度，光束大小，功率和工作平面上的辐射度——都是激光系统的性能指标。粉床作业表面适当的辐射度是增材制造应用成功的一个特别关键的指标。当前的测量解决方案还可以存储数据，允许列出所有性能参数，以便与之前的性能配置文件比较。
非接触激光分析仪可以同时监测整个聚焦区域、光束焦散和激光功率。从这些测量中获得的图像确定了激光过程中的可用辐射度轮廓。测量每个工艺前后的激光参数可能会略微减慢工艺过程，但它能确保在零件上应用正确的能量/辐射度，产生所需的工艺结果。不能准确监测参数——如激光功率、能量和工件辐射度——会浪费宝贵的材料和加工时间，也有可能使加工暴露在不规范的条件下，产生更多废料，使工艺退化，并对最终产品寿命产生负面影响。

接下来还会出现什么？

几十年来，激光技术凭借测量系统工艺促进了应用增长，促进了以激光为基础的各项工艺性能的提高和产品的出现。工业激光器的现代应用直接受益于测量技术。持续采用激光工具，依赖于对关键激光参数的高保真分析，比如输出功率或能量，工件上的辐射度，焦平面位置和光束稳定性。

在激光测量工具的开发中，独创性一直发挥着作用。目前的监测技术有助于实现激光材料加工的下一场革命。对激光性能更深入的了解，有助于所有基于激光的业务拓展。在将来，激光系统性能监测可能会被标准化，以持续记录正确的辐射度，用于流程监测。应用于某一流程工序的最优波束的清晰轮廓，将有助于在流程退化时将激光器与这个流程分开。通过稳定、可重复的流程，激光系统性能监测也能保障产出高质量产品，以确保高附加值激光加工会带来的益处。

图4：非接触激光分析仪可以同时监测全聚焦区焦散情况及激光功率（ 来源：MKS/Ophir 公司）

新技术和测量技术无疑将随之而来，为激光加工和光的关键新应用带来新的革命性进展。接下来还会发生什么呢？随着成本降低，更先进的传感器技术——比如像素更小、传感器更大、波长覆盖范围更广的相机——有望得到更广泛的应用。紧凑的激光光束取样仪将使生产线旁和生产线上光束分析成为可能。非接触应用将会增加。

最后，在流程前和流程中测量激光参数将变得更加容易，便于操作员在问题发生时修复问题，防止他们在不了解过程变量的情况下就返工或报废产品。现在可以很容易地监测高功率激光系统的性能。快速、非冷却的功率传感器和非接触光束轮廓工具使得测量变得又简单又经济。激光先驱们早就意识到精确、可重复测量的必要性。