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深圳海納光學(xué)有限公司
主營產(chǎn)品： 激光護(hù)目鏡，可飽和吸收鏡，衍射光學(xué)元件，光束整形器，太赫茲透鏡，太陽能模擬器，太赫茲相機(jī)，激光測量儀，離軸拋物面鏡，微透鏡陣列 |
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公司信息
測量激光光束輪廓的儀器
2020-7-22 閱讀(511)
光束輪廓的強(qiáng)度分布是激光分析中的一個(gè)重要參數(shù)，它將決定激光束在其應(yīng)用過程中的性能表現(xiàn)如何，在特定的設(shè)置之下，也將會(huì)決定整個(gè)激光系統(tǒng)的性能。激光在真空中傳播時(shí)，會(huì)沿著其傳播路徑產(chǎn)生不同的寬度和強(qiáng)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(xué)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(jīng)能準(zhǔn)確的預(yù)測到激光傳播的真實(shí)情況，但是對(duì)于專業(yè)的研究人員和激光廠商來說，準(zhǔn)確的測量光束輪廓的強(qiáng)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(qiáng)度為其峰值的1/e2（13.5％）時(shí)所對(duì)應(yīng)的寬度尺寸。該值是通過測定高斯光而得出的，并準(zhǔn)確地描述了在TEM00模型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(biāo)準(zhǔn)中，為光束寬度下了一個(gè)更為準(zhǔn)確的定義，該標(biāo)準(zhǔn)定義以功率密度分布的中心二階矩為基礎(chǔ)，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(diǎn)是從原始強(qiáng)度數(shù)據(jù)計(jì)算得出的值，它對(duì)噪聲非常的敏感。還有一種測量光束寬度的方法，可以對(duì)光束積分計(jì)算出，不會(huì)因?yàn)樵肼晢栴}而影響測量結(jié)果，這種方法被稱之為刀口法。
光束寬度測量技術(shù)
光束輪廓測量儀器主要有四種類型：相機(jī)型光斑分析儀，刀口型光斑分析儀，狹縫掃描型光束質(zhì)量分析儀和針孔掃描型光斑分析儀，每一種都有其各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。以色列Duma推出了第五種類型，這種新的測試方法結(jié)合了刀口技術(shù)和相機(jī)系統(tǒng)。不同的測量方法得出的結(jié)果也略有不同，根據(jù)以往的測試經(jīng)驗(yàn)，與CMOS技術(shù)相比，使用CCD光束輪廓儀，測量脈沖激光束的更準(zhǔn)確；使用刀口技術(shù)時(shí)，尤其是與斷層圖像重建程序搭配使用時(shí)，測量連續(xù)激光束更準(zhǔn)確。
相機(jī)型光斑分析儀
相機(jī)型光斑分析儀使用二維陣列，可以即時(shí)的記錄，并且顯示激光束強(qiáng)度的分布。它會(huì)逐點(diǎn)地記錄激光束的強(qiáng)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(gè)3維的光束輪廓圖像。連續(xù)波和脈沖激光束均可用相機(jī)型光斑分析儀進(jìn)行測量。但是這類儀器的通病是，它們?cè)跍y量時(shí)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(jī)型光斑分析儀MicroBeam，通過校準(zhǔn)的方法將激光束放大到100倍來克服像素大小的限制，可以對(duì)直徑小于0.5um的光束進(jìn)行輪廓分析，但也同時(shí)將輸入的max光束直徑限制在50um以內(nèi)。
經(jīng)磷鍍層的CCD光束輪廓儀，所能測量光束的尺寸甚至能達(dá)到1550nm。例如BeamOn HR高分辨率光斑測試儀配有內(nèi)置的電動(dòng)切換衰減片，如下圖所示。
刀口型光斑分析儀
該儀器通過刀口的機(jī)械型移動(dòng)，掃過光束，從而刀口在光束之間移動(dòng)時(shí)會(huì)遮擋到探測器接受的激光能量，然后結(jié)合刀口的移動(dòng)速度及探測器接收到的能量數(shù)據(jù)來計(jì)算光束的輪廓。與其他刀口型測量系統(tǒng)有所不同，我們的掃描技術(shù)使用了多個(gè)刀口，每個(gè)刀口都有其*的移動(dòng)軌跡，來掃過光束，每個(gè)刀口將產(chǎn)生與其掃描方向相對(duì)應(yīng)的輪廓。使用斷層攝影算法對(duì)掃描后的各輪廓進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以生成類似于CCD相機(jī)產(chǎn)生的圖像分布。
*，刀口型掃描系統(tǒng)的測量結(jié)果非常精確，其測量能力可低至幾微米，max可達(dá)幾毫米，靈敏度范圍在190nm-2700nm之間。
刀口型光斑分析儀的深度掃描
刀口型光斑分析儀有一個(gè)很大的孔徑，可以使整個(gè)激光束通過，在孔徑的上面有一個(gè)鋒利的刀口。當(dāng)孔徑掃過光束時(shí)，系統(tǒng)會(huì)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(dāng)?shù)犊趻哌^光束時(shí)，該系統(tǒng)會(huì)估算出光束大小，并且對(duì)光束進(jìn)行8000次的采樣收集，然后對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的處理，無論光束大小如何，每個(gè)剖面都能得到大約1000個(gè)有用的點(diǎn)。微米范圍下，光束采樣的分辨率較低，這種自動(dòng)縮放的程序精度很高。
斷層掃描技術(shù)
如上所述，狹縫掃描型光束質(zhì)量分析儀和刀口型光斑分析儀，都無法對(duì)激光束輪廓實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的3D重建。但是，可以應(yīng)用斷層掃描技術(shù)（這與用MRI和CAT掃描儀制作內(nèi)臟的3D圖像是同一種技術(shù)）來進(jìn)行合理的近似計(jì)算。制作3D圖像的關(guān)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(gè)不同方向進(jìn)行掃描，如果從10個(gè)或10個(gè)以上的不同方向進(jìn)行掃描，那重建出來的3D圖像將會(huì)與真實(shí)情況非常接近。
斷層掃描技術(shù)是以色列DUMA公司專有的技術(shù)，不同于一般的刀口型光束分析儀，結(jié)合了斷層掃描技術(shù)的光束分析儀軟件能夠大大提高光束質(zhì)量測量的精度和穩(wěn)定性。
現(xiàn)如今，利用激光對(duì)材料進(jìn)行加工處理的新應(yīng)用越來越多，特別是光纖激光技術(shù)在輸出功率和光束質(zhì)量方面取得了巨大進(jìn)步。從紙面上的理論研究到千瓦功率光纖激光器的實(shí)物問世，并且已經(jīng)應(yīng)用到了各種加工領(lǐng)域當(dāng)中，例如切割，焊接，燒蝕等。光纖激光器的優(yōu)點(diǎn)是功率大、機(jī)械穩(wěn)定性好、光束質(zhì)量好。但是，光束質(zhì)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(zhì)量會(huì)存在很多的困難，特別是在密度超過50KWatt/cm2的焦點(diǎn)處。一方面是，光束的能量太大會(huì)使材料熔化或打壞材料，另一方面，測量聚焦輪廓是重要的測量方法。
在高分辨率，高靈敏度的光束采樣領(lǐng)域已經(jīng)取得了前沿的研究進(jìn)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(gè)，同時(shí)保留原光束的偏振性。下圖是汽車行業(yè)利用激光焊接生產(chǎn)線的典型應(yīng)用。
