測量激光光束輪廓的儀器





    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(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(chǎn)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(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情況,但是對于專業(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(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(biāo)準(zhǔn)中,為光束寬度下了一個較為準(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(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:相機式光斑分析儀,刀口式光斑分析儀,狹縫掃描式光束質(zhì)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(shù)和基于相機系統(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,與CMOS技術(shù)相比,使用CCD光束輪廓儀,測量脈沖激光束的較準(zhǔn)確;使用刀口技術(shù)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(zhǔn)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(jìn)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(zhǔn)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(jìn)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(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(jié)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(shù)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(chǎn)生與其掃描方向相對應(yīng)的輪廓。使用斷層攝影算法對掃描后的各輪廓進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,以生成類似于CCD相機產(chǎn)生的圖像分布。
    眾所周知,刀口式掃描系統(tǒng)的測量結(jié)果非常精確,其測量能力可低至幾微米,較高可達(dá)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(dāng)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(dāng)?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(jìn)行8000次的采樣收集,然后對其進(jìn)行進(jìn)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(shù)
    如上所述,狹縫掃描式光束質(zhì)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(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,需要至少從三個不同方向進(jìn)行掃描,如果從10個或10個以上的不同方向進(jìn)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(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**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)點是功率大、機械穩(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(lǐng)域已經(jīng)**了較新的研究進(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,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(chǎn)線的典型應(yīng)用。
     



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  • 詞條

    詞條說明

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