光束参数测量

光学镊子简称光镊，顾名思义，它是利用激光作为操作手段，能够像镊子一样对微观物体进行抓取、捕获、操纵。2018年，阿什金教授在光镊技术领域的开创性贡献获得诺贝尔物理学奖。经过二十多年的发展，气溶胶光镊测量技术，完成了从实验室萌生，到光学技术平台的构建、测量方法的建立等一系列过程，英国目前已经推出了第一代气溶胶光镊仪器（2016，AOT100）。据了解，北京理工大学环境分子科学分子光谱实验室，自2008年开始搭建气溶胶光镊受激拉曼光谱仪器，经过十多年的积累，在仪器的测量精度、重现性、稳定性方面都取得很大进展，已经搭建3套光镊仪器。下面我们走进北京理工大学环境分子科学实验室，了解张韫宏教授实验室搭建的单光束光镊与受激拉曼光谱联合测量系统。第十二届光谱网络会议（iCS2023） 期间，张韫宏教授将在6月15 日下午分享《 单液滴原位物理化学过程的拉曼测量》， 立即报名 》》》 北京理工大学 张韫宏教授《单液滴原位物理化学过程的拉曼测量》（6月15日下午开讲 点击预约席位）张韫宏，北京理工大学化学与化工学院教授，霍英东优秀青年教师基金获得者，入选教育部跨世纪人才培养计划，《光谱学与光谱分析》常务编委；《光散射学报》编委，全国分子光谱专业委员会委员。研究方向为气溶胶物理化学，光谱分析，大气物理化学，分子谱学，胶体与界面化学，结构化学，超分子化学。张韫宏教授课题组多年来一直致力于与环境问题密切相关的大气气溶胶吸湿性的研究，完成国家自然科学基金重点项目1项，面上项目7项，承担国家自然科学基金重大研究计划重点项目1项，面上项目1项。课题组建立了气溶胶流管AFT（Aerosol Flow Tube）结合FTIR观测、气溶胶FTIR-ATR原位探测、压力脉冲技术-快速扫描真空FTIR检测、单液滴光镊悬浮探测、气溶胶液滴两次聚焦共焦拉曼探测等光谱学方法，开展了气溶胶吸湿性、风化动力学过程、非均相化学反应过程等方面的研究，实现了吸湿增长因子、风化结晶速率、分子扩散系数、反应摄取系数等基本理化参数测量。近十几年来在Atmospheric Chem Phys、Anal. Chem.、EST、J. Phys. Chem. A、Phys. Chem. Chem. Phys和化学通报等国内外高水平杂志上发表论文百余篇，被SCI他人引用1500余次。研究论文被EST（2019年11期）和PCCP（2005年14期）选为封页。【摘要】 微液滴是大气气溶胶的一种主要存在形式，与大气水分子、痕量气体时刻发生气液分配和气液化学反应过程，液滴内部也存在风化结晶、传质受阻等过程，本报告主要内容是如何利用拉曼光谱技术，开展气溶胶液滴的物理化学动态过程研究，包括过饱和状态下离子对的形成、风化相变过程、扩散系数测量、pH值测量、反应动力学摄取系数测量等方面的内容。由仪器信息网主办，中国仪器仪表学会近红外光谱分会、中国生物物理学会太赫兹生物物理分会等协办由仪器第十二届光谱网络会议（iCS2023）将于6月13-16日举办。iCS2023将聚焦最新、最前沿的光谱技术及应用，特别设立了超快/瞬态光谱最新技术及应用进展、高光谱技术及应用新进展、光谱快检及在线应用技术进展等专场。同时会议也会选择光谱技术在生命科学、环境、材料等领域的应用进展进行深入探讨，为国内外光谱科研工作者及专业技术人士提供一个全新、高效的沟通交流平台，以促进业内交流，提高光谱研究及应用水平。点击立即报名 》》》 报名链接：https://www.instrument.com.cn/webinar/meetings/ics2023/

Cinogy光束质量分析仪—角度响应校准：应用于大角度发散角的激光光束测量1.1 应用范围有不同种类的应用需要考虑角度响应。这些应用大多使用(非常)发散的光束。在这种情况下，我们在一幅图像中有连续的入射角范围。照相机的灵敏度取决于激光束的入射角，这是由过滤器和传感器造成的。1.2 角度线性原因1.3过滤器这里，我们将只考虑吸收滤波器。如果光束没有垂直入射到滤光器上，则通过滤光器的路径较长。较长的路径导致较强的吸收，因此相机(滤光片和传感器)的响应较低。与过滤器相关的效果是各向同性的。但是，如果滤光器相对于传感器倾斜(取决于相机型号)，则会在滤光器倾斜的方向上产生各向异性。入射角αin的线性透射可以用数学方法描述，如果透射指数为垂直光束T0和折射率n已知。因为对吸收性滤光片来说，T0与波长有很大的线性关系，与入射角度有关的相对透射率Trel也与波长密切相关。1.4 传感器角度响应取决于传感器技术、传感器类型、波长和微透镜。通常它不是各向同性的。图1:KAI-16070对单色光(未知波长)的角度线性灵敏度。参考:KAI-16070的 数据表图2 CMX4000白光的角度线性灵敏度如这些示例所示，对于不同类型的传感器，角度响应可能完全不同。因为这种效应还 取决于波长和单个传感器(每个传感器表现出稍微不同的行为)，取决于波长的校准是必要的。两个传感器都显示出各向异性。为了考虑校准中的各向异性，需要比仅在x和y方向上更复杂的测量。2 涂层通过一种特殊的涂层，我们可以消除(主要是抑制)传感器本身的角度产生。剩余的影响角度的灵敏度是由滤波器引起的。这产生了以下主要优点:1）剩余的角度响应是各向同性的，这意味着它不再取决于入射角的方位角。2）剩下的角度响应的校正系数更小，因此更不容易出错。下面的图表显示了CinCam cmos Nano 1.001在940nm下的两个角度响应测量值，前面有CMV4000传感器和OD8吸收滤光片。第1张图表中的摄像机采用默认设置，没有特殊涂层。图3:CMV 4000传感器在x(蓝色)和y(橙色)方向的角度响应，前面有OD8吸收滤光片，在940nm处测量。上半部分显示相对角度响应，下半部分显示测量点和蕞佳拟合曲线之间的相对偏差。第二张图中的相机是用特殊涂层制作的。图4:CMV 4000传感器在x(蓝色)和y(橙色)方向的角度响应，该传感器具有特殊涂层，前面有OD8吸收滤光片，在940纳米处测量。上半部分显示相对角度响应，下半部分显示测量点和蕞佳拟合曲线之间的相对偏差。这里，角度响应是各向同性的、平滑的，对于大角度，下降效应不太明显。CinCam CMOS Nano Plus-X针对传感器和外壳正面之间的极短距离进行了优化。这使得入射角度高达65°时的角度响应测量成为可能。3 角度响应的拟合函数拟合函数是Zernike2多项式，其中入射角的正弦用于半径。这些多项式为入射角的任意方向提供了x和y方向的简单插值。用这种方法，我们可以用少量的系数描述高达±60度的测量结果。4 均匀性由于生产原因，涂层并不在任何地方都具有完全相同的厚度。这导致照相机灵敏度的不均匀性增加。这个缺点通过进一步的均匀性校准来补偿。图5:940纳米无涂层传感器(紫色)和均匀性校准后(绿色)的相对灵敏度。5 精度整体精度取决于以下几点:1）拟合精度。2）角度响应的各向同性。3）垂直光束位置(x，y)的精度。4）顶点到传感器的光学距离的精度(z)。5）蕞大角度下的角度响应下降。通过特殊的涂层，我们可以提高拟合精度和角响应的各向同性。此外，大角度灵敏度的相对下降要弱得多。6 RayCi中的校正要求为了根据角度响应校正图像数据，必须满足以下要求：1）角度响应校准数据必须可用于每个波长。该数据由蕞佳拟合的Zernike多项式系数组成。2）为了生成从每个像素到相应入射角的映射，必须知道光束垂直的x和y传感器位置。3）需要传感器和激光焦点位置之间的光学距离。4）CINOGY Technologies提供外壳和传感器之间的光学距离作为额外的校准数据。5）外壳和焦点之间的距离必须由用户提供。6）软件版本必须是RayCi 2.5.7或更高版本。 昊量光电提供的德国Cinogy公司生产的大口径光束分析仪，相机采用CMOS传感器，其中大口径的CMOS相机可达30mm，像素达到惊人的19Mpixel。是各种大光斑激光器、线形激光器光束、发散角较大的远场激光测量的必不可少的工具。此外CinCam大口径光束分析仪通用的C/F-Mount 接口设计，使外加衰减片、扩束镜、紫外转换装置、红外转换装置更为方便。超过24mm通光孔径的大口径光束分析仪CinCam CMOS-3501和CinCam CMOS-3502更是标配功能齐全的RayCi-Standard/Pro分析软件，该软件可用于光束实时监测 、测量激光光斑尺寸 、质心位置、椭圆度、相对功率测量（归一化数据）、二维/三维能量分布（光强分布） 、光束指向稳定性（质心抖动） 、功率稳定性 （绘制功率波动曲线）、发散角测量等 ，支持测量数据导出 ，测试报告PDF格式文档导出等。主要特点： 1、芯片尺寸大，可达36mm 2、精度高，单像元尺寸可达4.6um 3、支持C/C++, C#, Labview, Java语言等多种语言二次开发主要技术指标：RT option: CMOS/ccd-xxx-RT：响应波长范围：320~1150nmUV option:CMOS/CCD-xxx-UV：响应波长范围：150nm~1150nmCMOS/CCD-xxx-OM：响应波长范围：240nm~1150nmIR option:CMOS-xxx-IR：响应波长范围：400~1150nm + 1470nm~1605nm 关于昊量光电昊量光电 您的光电超市！上海昊量光电设备有限公司致力于引进国外先进性与创新性的光电技术与可靠产品！与来自美国、欧洲、日本等众多知名光电产品制造商建立了紧密的合作关系。代理品牌均处于相关领域的发展前沿，产品包括各类激光器、光电调制器、光学测量设备、精密光学元件等，所涉足的领域涵盖了材料加工、光通讯、生物医疗、科学研究、国防及前沿的细分市场比如为量子光学、生物显微、物联传感、精密加工、先进激光制造等。我们的技术支持团队可以为国内前沿科研与工业领域提供完整的设备安装，培训，硬件开发，软件开发，系统集成等优质服务，助力中国智造与中国创造! 为客户提供适合的产品和提供完善的服务是我们始终秉承的理念！

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SP932ULT665SP504S波长范围190-1100nm340-1100nm芯片尺寸7.1×5.3mm12.5×10mm23×23mm像.大.3.45x3.45μm4.54×4.54μm4.5x4.5μm分.率2048x15362752×21925120×5120相机型号 XC-130 Pyrocam III HR Pyrocam IV波长范围900-1700nm13-355nm&1.06-3000µ m13-355nm&1.06-3000µ m芯片尺寸9.6*7.6mm12.8mm×12.8mm25.6mm×25.6mm像元大小30*30um75µ m×75µ m75µ m×75µ m分辨率320*256160×160320×320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 nm3.0W/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&bull 18mm 大通光孔径。&bull 输入端为 C-Mount 内螺纹，输出端为 C-Mount 外螺纹。&bull 镜片有 1°倾角，因而可以堆叠使用。&bull 标称使用波段 350-1100nm。VAM-C-BB VAM-C-UV1 可切换式衰减模组&bull 18mm 通光孔径。&bull 标准品提供两组四片可推拉式切换的中性密度滤光片。&bull 用于需要快速改变衰减率的测量过程。&bull 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。&bull 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&bull 20mm 大通光孔径。&bull 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。&bull 标称使用波段 190-1100nm。其他波段可定制。&bull 633nm 处 P 光采样率 0.6701%；S 光采样率 8.1858%。&bull 355nm 处 P 光采样率 0.7433%；S 光采样率 8.6216%。&bull 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&bull 15mm 通光孔径，体积紧凑。&bull 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。&bull 标称使用波段 190-1100nm，其他波段可定制。&bull 633nm 处采样率 0.05485%。&bull 355nm 处采样率 0.06408%。&bull 后端可配 C-Mount 外螺纹接口。SAM-BB-V1 SAM-UV1-V1 采样衰减模组&bull 20mm 大通光孔径。&bull 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。&bull 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。&bull 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&bull 15mm 通光孔径，体积紧凑。&bull 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。&bull 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。&bull 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。&bull 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1060-1080nm532nm 1030-1080nm功率测试范围0.1-600W10-1000W可持续测试性持续测试2min at 1000W光斑大小37µ m-3.5mm34.5µ m-2mm焦长范围200-400mm150-800mm 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55µ m最大入射口径12.5mm束腰宽度准确度±5%束腰位置准确度±125µ m焦点漂移准确度±50µ m接口方式GigE Ethernet仪器尺寸406.4mm×76.2mm×79.4mm