测量激光光束轮廓的仪器

时间：2020-08-07

光束轮廓的强度分布是激光分析中的一个重要参数，它将决定激光束在其应用过程中的性能表现如何，在特定的设置之下，也将会决定整个激光系统的性能。激光在真空中传播时，会沿着其传播路径产生不同的宽度和强度分布，这种现象是根据激光谐振腔，发散的程度，与光学元件的相互作用以及电子激光器的特性而不断变化的。尽管现有的理论已经能准确的预测到激光传播的真实情况，但是对于专业的研究人员和激光厂商来说，准确的测量光束轮廓的强度是非常重要的。
激光光束宽度的定义
通常情况下，激光光束宽度定义为，光束强度为其峰值的1/e2（13.5％）时所对应的宽度尺寸。该值是通过测定高斯光而得出的，并准确地描述了在TEM00模式下激光器的光束分布。大部分激光器发出的基本上都是高斯光，因此这种简单定义方法在行业中普遍接受。
在IS011146标准中，为光束宽度下了一个更为准确的定义，该标准定义以功率密度分布的中心二阶矩为基础，光束横截面上功率密度分布的范围就是光束宽度。二阶矩的点是从原始强度数据计算得出的值，它对噪声非常的敏感。还有一种测量光束宽度的方法，可以对光束积分计算出，不会因为噪声问题而影响测量结果，这种方法被称之为刀口法。
光束宽度测量技术
光束轮廓测量仪器主要有四种类型：相机式光斑分析仪，刀口式光斑分析仪，狭缝扫描式光束质量分析仪和针孔扫描式光斑分析仪，每一种都有其各自的优点和缺点。以色列Duma推出了*五种类型，这种新的测试方法介于刀口技术和基于相机系统。不同的测量方法得出的结果也略有不同，根据以往的测试经验，与CMOS技术相比，使用CCD光束轮廓仪，测量脉冲激光束的更准确；使用刀口技术时，尤其是与断层图像重建程序搭配使用时，测量连续波激光束是更准确。
相机式光斑分析仪
相机式光斑分析仪使用二维阵列，可以即时的记录，并且显示激光束强度的分布。它会逐点地记录激光束的强度分布，并将生成的图像传入到电脑上，在软件上就可以呈现一个3维的光束轮廓图像。连续波和脉冲激光束均可用相机式光斑分析仪进行测量。但是这类仪器的通病是，它们在测量时分辨率受到像素大小的限制（5-10um），所以不能够测量宽度小于60um的光束。
新型的相机式光斑分析仪MicroBeam，通过校准的方式将激光束放大到100倍来克服像素大小的限制，可以对直径小于0.5um的光束进行轮廓分析，但也同时将输入的较大光束直径限制在50um以内。
经磷镀层的CCD光束轮廓仪，所能测量光束的尺寸甚至能达到1550nm。例如BeamOn HR高分辨率光斑测试仪配有内置的电动切换衰减片，如下图1所示。

刀口式光斑分析仪
该仪器通过刀口的机械式移动，扫过光束，从而刀口在光束之间移动时会遮挡到探测器接受的激光能量，然后结合刀口的移动速度及探测器接收到的能量数据来计算光束的轮廓。与其他刀口式测量系统有所不同，我们的扫描技术使用了多个刀口，每个刀口都有其*有的移动轨迹，来扫过光束，每个刀口将产生与其扫描方向相对应的轮廓。使用断层摄影算法对扫描后的各轮廓进行数据处理，以生成类似于CCD相机产生的图像分布。
众所周知，刀口式扫描系统的测量结果非常精确，其测量能力可低至几微米，较高可达几毫米，灵敏度范围在190nm-2700nm之间。
刀口式光斑分析仪的深度扫描
刀口式光斑分析仪有一个很大的孔径，可以使整个激光束通过，在孔径的上面有一个锋利的刀口。当孔径扫过光束时，系统会测量未被刀口阻挡的光束部分，并绘制出入射前的光束功率与通过孔径之后光束功率的差值。当刀口扫过光束时，该系统会估算出光束大小，并且对光束进行8000次的采样收集，然后对其进行进一步的处理，无论光束大小如何，每个剖面都能得到大约1000个有用的点。微米范围下，光束采样的分辨率较低，这种自动缩放的程序精度很高。
断层扫描技术
如上所述，狭缝扫描式光束质量分析仪和刀口式光斑分析仪，都无法对激光束轮廓实现准确的3D重建。但是，可以应用断层扫描技术（这与用MRI和CAT扫描仪制作内脏的3D图像是同一种技术）来进行合理的近似计算。制作3D图像的关键，就是要尽可能多得在不同方向上来扫描光束，为了能够有效的层析成像分析，需要至少从三个不同方向进行扫描，如果从10个或10个以上的不同方向进行扫描，那重建出来的3D图像将会与真实情况非常接近。
现如今，利用激光对材料进行加工处理的新应用越来越多，特别是光纤激光技术在输出功率和光束质量方面取得了巨大进步。从纸面上的理论研究到千瓦功率光纤激光器的实物问世，并且已经应用到了各种加工领域当中，例如切割，焊接，烧蚀等。光纤激光器的优点是功率大、机械稳定性好、光束质量好。但是，光束质量和光束轮廓必须要定期的检测。
一般情况下，检测这种大功率激光的光束质量会存在很多的困难，特别是在密度**过50KWatt/cm2的焦点处。一方面是，光束的能量太大会使材料熔化或打坏材料，另一方面，测量聚焦轮廓是较重要的测量方法。
在高分辨率，高灵敏度的光束采样领域已经取得了较新的研究进展。一些高端的光束采样器可以在不失真的情况下采样大约100000个，同时保留原光束的偏振性。图2汽车行业利用激光焊接生产线的典型应用。

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词条说明
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