測量激光光束輪廓的儀器

時間：2020-08-07

光束輪廓的強度分布是激光分析中的一個重要參數(shù)，它將決定激光束在其應用過程中的性能表現(xiàn)如何，在特定的設置之下，也將會決定整個激光系統(tǒng)的性能。激光在真空中傳播時，會沿著其傳播路徑產生不同的寬度和強度分布，這種現(xiàn)象是根據(jù)激光諧振腔，發(fā)散的程度，與光學元件的相互作用以及電子激光器的特性而不斷變化的。盡管現(xiàn)有的理論已經能準確的預測到激光傳播的真實情況，但是對于專業(yè)的研究人員和激光廠商來說，準確的測量光束輪廓的強度是非常重要的。
激光光束寬度的定義
通常情況下，激光光束寬度定義為，光束強度為其峰值的1/e2（13.5％）時所對應的寬度尺寸。該值是通過測定高斯光而得出的，并準確地描述了在TEM00模式下激光器的光束分布。大部分激光器發(fā)出的基本上都是高斯光，因此這種簡單定義方法在行業(yè)中普遍接受。
在IS011146標準中，為光束寬度下了一個較為準確的定義，該標準定義以功率密度分布的中心二階矩為基礎，光束橫截面上功率密度分布的范圍就是光束寬度。二階矩的點是從原始強度數(shù)據(jù)計算得出的值，它對噪聲非常的敏感。還有一種測量光束寬度的方法，可以對光束積分計算出，不會因為噪聲問題而影響測量結果，這種方法被稱之為刀口法。
光束寬度測量技術
光束輪廓測量儀器主要有四種類型：相機式光斑分析儀，刀口式光斑分析儀，狹縫掃描式光束質量分析儀和針孔掃描式光斑分析儀，每一種都有其各自的優(yōu)點和缺點。以色列Duma推出了*五種類型，這種新的測試方法介于刀口技術和基于相機系統(tǒng)。不同的測量方法得出的結果也略有不同，根據(jù)以往的測試經驗，與CMOS技術相比，使用CCD光束輪廓儀，測量脈沖激光束的較準確；使用刀口技術時，尤其是與斷層圖像重建程序搭配使用時，測量連續(xù)波激光束是較準確。
相機式光斑分析儀
相機式光斑分析儀使用二維陣列，可以即時的記錄，并且顯示激光束強度的分布。它會逐點地記錄激光束的強度分布，并將生成的圖像傳入到電腦上，在軟件上就可以呈現(xiàn)一個3維的光束輪廓圖像。連續(xù)波和脈沖激光束均可用相機式光斑分析儀進行測量。但是這類儀器的通病是，它們在測量時分辨率受到像素大小的限制（5-10um），所以不能夠測量寬度小于60um的光束。
新型的相機式光斑分析儀MicroBeam，通過校準的方式將激光束放大到100倍來克服像素大小的限制，可以對直徑小于0.5um的光束進行輪廓分析，但也同時將輸入的較大光束直徑限制在50um以內。
經磷鍍層的CCD光束輪廓儀，所能測量光束的尺寸甚至能達到1550nm。例如BeamOn HR高分辨率光斑測試儀配有內置的電動切換衰減片，如下圖1所示。

刀口式光斑分析儀
該儀器通過刀口的機械式移動，掃過光束，從而刀口在光束之間移動時會遮擋到探測器接受的激光能量，然后結合刀口的移動速度及探測器接收到的能量數(shù)據(jù)來計算光束的輪廓。與其他刀口式測量系統(tǒng)有所不同，我們的掃描技術使用了多個刀口，每個刀口都有其*有的移動軌跡，來掃過光束，每個刀口將產生與其掃描方向相對應的輪廓。使用斷層攝影算法對掃描后的各輪廓進行數(shù)據(jù)處理，以生成類似于CCD相機產生的圖像分布。
眾所周知，刀口式掃描系統(tǒng)的測量結果非常精確，其測量能力可低至幾微米，較高可達幾毫米，靈敏度范圍在190nm-2700nm之間。
刀口式光斑分析儀的深度掃描
刀口式光斑分析儀有一個很大的孔徑，可以使整個激光束通過，在孔徑的上面有一個鋒利的刀口。當孔徑掃過光束時，系統(tǒng)會測量未被刀口阻擋的光束部分，并繪制出入射前的光束功率與通過孔徑之后光束功率的差值。當?shù)犊趻哌^光束時，該系統(tǒng)會估算出光束大小，并且對光束進行8000次的采樣收集，然后對其進行進一步的處理，無論光束大小如何，每個剖面都能得到大約1000個有用的點。微米范圍下，光束采樣的分辨率較低，這種自動縮放的程序精度很高。
斷層掃描技術
如上所述，狹縫掃描式光束質量分析儀和刀口式光斑分析儀，都無法對激光束輪廓實現(xiàn)準確的3D重建。但是，可以應用斷層掃描技術（這與用MRI和CAT掃描儀制作內臟的3D圖像是同一種技術）來進行合理的近似計算。制作3D圖像的關鍵，就是要盡可能多得在不同方向上來掃描光束，為了能夠有效的層析成像分析，需要至少從三個不同方向進行掃描，如果從10個或10個以上的不同方向進行掃描，那重建出來的3D圖像將會與真實情況非常接近。
現(xiàn)如今，利用激光對材料進行加工處理的新應用越來越多，特別是光纖激光技術在輸出功率和光束質量方面**了巨大進步。從紙面上的理論研究到千瓦功率光纖激光器的實物問世，并且已經應用到了各種加工領域當中，例如切割，焊接，燒蝕等。光纖激光器的優(yōu)點是功率大、機械穩(wěn)定性好、光束質量好。但是，光束質量和光束輪廓必須要定期的檢測。
一般情況下，檢測這種大功率激光的光束質量會存在很多的困難，特別是在密度**過50KWatt/cm2的焦點處。一方面是，光束的能量太大會使材料熔化或打壞材料，另一方面，測量聚焦輪廓是較重要的測量方法。
在高分辨率，高靈敏度的光束采樣領域已經**了較新的研究進展。一些**的光束采樣器可以在不失真的情況下采樣大約100000個，同時保留原光束的偏振性。圖2汽車行業(yè)利用激光焊接生產線的典型應用。

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