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激光器光束质量分析检测技术介绍

先锋科技

2023/08/11 15:25

阅读：319

如今，激光器已经广泛应用于通信、焊接和切割、增材制造、分析仪器、航空航天、军事国防以及医疗等领域。激光的光束质量无论对于激光器制造客户还是激光器使用客户都是重要的核心指标之一。许多客户依赖激光器的出厂报告，从而忽略了对于激光器光束质量测试的重要性，往往在后面激光器使用过程中达不到理想的效果。

通过下方的对比图可以看出，同样的功率情况下（100W），如果焦点产生微小的漂移，对于材料加工处的功率密度足足变化了 72 倍！

所以，激光器仅仅测试功率或能量是远远不够的。对于激光光束质量的定期检测，如激光光斑尺寸大小、能量分布、发散角、激光光束的峰值中心、几何中心、高斯拟合度、指向稳定性等等，都是非常必要的。

我公司对于激光光束质量的测试有着丰富且**的经验，对于不同波长、不同功率、不同光斑大小的激光器都可以提供具有针对性的测试系统和方案。

相机式光束分析仪

相机式光束分析仪采用二维阵列光电传感器，直接将辐照在传感器上的光斑分布转换成图像，传输至电脑并进行分析。相机式光斑分析仪是目前使用*多的光斑分析仪，可以测试连续激光、脉冲激光、单个脉冲激光，可实时监控激光光斑的变化。

完整的光束分析系统由三部分构成：

（1）相机

针对用户激光波长以及光斑大小不同的测量需求，SPIRICON 公司推出了如下几类面阵相机：

● 硅基 CMOS 相机通常为 190nm ~ 1100nm；

● InGaAs 面阵相机通常为 900 ~ 1700nm；

● 热释电面阵相机则可覆盖13 ~ 355nm 及 1.06 ~ 3000μm。

相机的芯片尺寸决定了能够测量的光斑的*大尺寸，而像素尺寸则决定了能够测量的*小光斑尺寸；通常需要 10 个像素体现一个光斑完整的信息。

相机型号	SP932U	LT665	SP504S
波长范围	190-1100nm		340-1100nm
芯片尺寸	7.1×5.3mm	12.5×10mm	23×23mm
像.大.	3.45x3.45μm	4.54×4.54μm	4.5x4.5μm
分.率	2048x1536	2752×2192	5120×5120

相机型号 XC-130 Pyrocam III HR Pyrocam IV
波长范围	900-1700nm	13-355nm&1.06-3000µm	13-355nm&1.06-3000µm
芯片尺寸	9.6*7.6mm	12.8mm×12.8mm	25.6mm×25.6mm
像元大小	30*30um	75µm×75µm	75µm×75µm
分辨率	320*256	160×160	320×320
灵敏度		64nw/pixel(CW) 0.5nJ/pixel(Pulsed)	64nw/pixel(CW) 0.5nJ/pixel(Pulsed)
饱和度	1.3 μW/cm2 @ 1550 nm	3.0W/cm2 (25Hz) 4.5W/cm2（50Hz））	3.0W/cm2 (25Hz) 4.5W/cm2（50Hz））

（2）光束分析软件

Spiricon 光斑分析软件BeamGage 界面人性化，操作便捷，功能强大，其Ultra CAL**逐点背景扣除技术，可将测量环境中的杂散背景光完全扣除掉，使得测量结果真实，得到更精准的ISO 认证标准的光斑数据（详情见 ISO 11146-3-2004）。

（3）附件

针对用户的特殊要求或者激光的特殊参数设定，SPIRICON 公司推出了一系列光束分析仪的附件，如：分光器、衰减器、衰减器组、扩/缩束镜、宽光束成像仪、紫外转换模块等等。

对于微米量级的光斑，传统面阵相机受到像素的制约，无法成像或者无法显示完整的光斑信息。我们有两类光束分析仪可供选择。

狭缝扫描光束分析仪

NanoScan 2s 系列狭缝扫描式光束分析仪，源自2010 年加入OPHIR 集团的PHOTON INC。PHOTON INC 自 1984 年开始研发生产扫描式光束分析仪，在光通讯、LD/LED 测试等领域享有盛名。扫描式与相机式光斑分析仪的互补联合使得OPHIR 可提供完备的光束分析解决方案。

扫描式光束分析是一种经典的光斑测量技术，通过狭缝 / 小孔取样激光光束的一部分，将取样部分通过单点光电探测器测量强度，再通过扫描狭缝 / 小孔的位置，复原整个光斑的分布。

扫描式光束分析仪的优点 :

● 取样尺度可以到微米量级，远小于 CCD 像素，可获得较高的空间分辨率而无需放大；

● 采用单点探测器，适应紫外 ~ 中远红外宽范围波段；

● 适应弱光和强光分析；

扫描式光束分析仪的缺点 :

● 多次扫描重构光束分布，不适合输出不稳定的激光；

● 不适合非典型分布的激光，近场光斑有热斑、有条纹等的状况。

扫描式光束分析仪与相机式光束分析仪是互补关系而非替代关系；在很多应用，如小光斑测量（焦点测量）、红外高分辨率光束分析等方面，扫描式光束分析仪具备独特的优势。

自研自产的焦斑分析仪系统及附件
STD 型焦斑分析系统

● 功率密度 / 能量密度较大，NA 小于 0.05（约 3°），且焦点之前可利用距离大于 100mm，应当考虑使用本型号。

● L 型焦班分析系统的标准版，采用双楔，镜头在双楔之间。

● 综合考虑了整体空间利用率、对镜头的保护等因素。

● 可进一步升级成为双楔在前的型号，以应对特别大的功率密度 /

● 能量密度。

● 合适用户 : 科研和工业的传统激光用户，高功率高能量激光用户，超长焦透镜用户，小 NA 客户。

02 型焦班分析系统

● 功率密度 / 能量密度较小，或 / 和 NA 大于 0.05（约 3°），或 / 和焦点之前可利用距离小于100mm，应当考虑使用本型号。

● 比 STD 更好调节；物镜更容易打坏。

● L 型焦班分析系统，采用双楔，镜头在双楔之前。如遇弱光，可定制将双楔换为双反射镜。

● 02 型机架不用匹配镜头尺寸，通用，可按需选择镜头。

● 非常方便对焦。

● 合适用户 : 使用小于 100mm 透镜甚至显微镜头做物镜的用户（表面精密加工）；LD/ LED+ 微透镜的生产线做质检

附件
STA-C 系列可堆叠 C 口衰减器

•18mm 大通光孔径。

•输入端为 C-Mount 内螺纹，输出端为 C-Mount 外螺纹。

•镜片有 1°倾角，因而可以堆叠使用。

•标称使用波段 350-1100nm。

VAM-C-BB VAM-C-UV1 可切换式衰减模组

•18mm 通光孔径。

•标准品提供两组四片可推拉式切换的中性密度滤光片。

•用于需要快速改变衰减率的测量过程。

•BB 表示宽波段，即 400-1100nm，提供 1+2、3+4 两组四片中性密度滤光片镜组。

•UV1 表示紫外波段，即 350-400nm，提供 0.1+0.2、0.3+0.7 两组四片中性密度滤光片镜组。

LS-V1 单楔激光采样模组

•20mm 大通光孔径。

•内置单片 JGS1 熔石英楔形镜采样片，易于拆卸和更换的楔形镜架。

•标称使用波段 190-1100nm。其他波段可定制。

•633nm 处 P 光采样率 0.6701%；S 光采样率 8.1858%。

•355nm 处 P 光采样率 0.7433%；S 光采样率 8.6216%。

•前端配模组母接口；后端配模组公接口及 C-Mount 外螺纹接口。

DLS-BB 双楔激光采样模组

•15mm 通光孔径，体积紧凑。

•内置两片互相垂直的 JGS1 熔石英楔形镜采样片，无需考虑偏振方向。

•标称使用波段 190-1100nm，其他波段可定制。

•633nm 处采样率 0.05485%。

•355nm 处采样率 0.06408%。

•后端可配 C-Mount 外螺纹接口。
SAM-BB-V1 SAM-UV1-V1 采样衰减模组

•20mm 大通光孔径。
•BB 表示宽波段，即 400-1100nm，提供四个插槽和 0.3、0.7、1、2、3、4 六组中性密度滤光片镜组。
•UV1 表示紫外波段，即 350-400nm，提供四个插槽和 0.1、0.2、0.3、0.7、1、2 六组中性密度滤光片镜组。
•前端配模组母接口；后端配 C-Mount 外螺纹接口。
DSAM-BB DSAM-UV1 双楔采样衰减模组
•15mm 通光孔径，体积紧凑。
•内置两片互相垂直的 JGS1 熔石英楔形镜采样片，633nm 处采样率 0.05485%；无需考虑偏振方向。
•BB 表示宽波段，即 400——1100nm，提供四个插槽和 0.3、0.7、1、2、3、4 六组中性密度滤光片镜组。
•UV1 表示紫外波段，即 350——400nm，提供四个插槽和 0.1、0.2、0.3、0.7、1、2 六组中性密度滤光片镜组。
•后端配 C-Mount 外螺纹接口

对于大功率激光器客户，如增材制造应用以及光纤激光器客户，我们还有专门的光束分析仪系统

BeamCheck 和 BeamPeek 集成 CCD 光束分析仪直接探测高功率激光的光斑，以及一台功率计用于实时监测测量激光的功率。特殊的分束系统使其可以直接用于高功率激光，极小部分功率被分配给光束分析仪进行光斑分析，而大部分功率由功率计直接探测激光功率。可在近场或焦点处测量。
BeamCheck 可持续测量不大于600W 的增材加工激光，BeamPeek 体积更为小巧，可测量*大1000W 的增材加工激光不大于2 分钟，然后自然冷却后进行下一轮测试。

型号	BeamCheck	BeamPeek
波长范围	1060-1080nm	532nm; 1030-1080nm
功率测试范围	0.1-600W	10-1000W
可持续测试性	持续测试	<2min at 1000W
光斑大小	37µm-3.5mm	34.5µm-2mm
焦长范围	200-400mm	150-800mm

OPHIR 的 BeamWatch 非接触式轮廓分析仪通过测量瑞利散射，捕获和分析波长范围为 980nm - 1080nm 的高功率工业激光。该分析仪包括全穿透光束测量技术、无运动部件、轻便紧凑型设计等特征，非常适合于高功率工业激光进行分析。

主要参数 BeamWatch
波长范围	980-1080nm
最小功率密度	2MW/cm2
最小焦斑大小	55µm
最大入射口径	12.5mm
束腰宽度准确度	±5%
束腰位置准确度	±125µm
焦点漂移准确度	±50µm
接口方式	GigE Ethernet
仪器尺寸	406.4mm×76.2mm×79.4mm

基于四波横向剪切干涉法的超表面光学表征

先锋科技丨第四届国产光电分析仪器研制与应用研讨会成功开幕