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激光束分析仪:光学领域的“透视眼”

2025-11-19

激光光束检测仪的关键测量参数

光束宽度

光束宽度的定义方式超过五种,其准确测量对于评估激光束的特性至关重要。

光束质量

通过光束质量参数M²来进行量化,这一参数能够反映激光束的聚焦能力和传输特性。

光束发散度

它是衡量光束随着传播距离而扩展的程度的重要指标,对于激光束的应用范围和效果有着直接的影响。

光束轮廓

即沿光束路径在给定位置的光束的二维强度图,清晰地展示了光束的能量分布情况。

光束像散

当光束的垂直和水平部分沿光束路径聚焦在不同位置时,光束呈现散光状态,这会影响激光束的聚焦精度和成像质量。

光束漂移或抖动

指的是光束轮廓的质心或峰值随时间移动的量,这一参数对于需要高精度控制的激光应用尤为关键。


 

激光光束检测仪的核心技术与种类

相机技术

传统的相机技术是通过直接照射相机传感器来获取光束信息,然而,这种方式下传感器上可接收的最大光斑尺寸通常约为10mm。为了实现对大直径光束的轮廓分析,一种改进的方法是用激光照射平坦的漫射表面,然后利用透镜将光成像到传感器上。从散射表面观察激光适用于大宽度的光束,但需要散射表面具有均匀的反射率,其变化应小于1%。而景颐光电自主研发的大口径光束质量分析仪则采用了大口径的COMS传感器,相机口径可达23mm,突破了传统相机技术在光斑尺寸测量上的限制,为各种大光斑激光器、线形激光器光束以及发散角较大的远场激光测量提供了可靠的解决方案。

刀刃技术

在这种技术中,旋转的刀片或狭缝会在功率计检测之前切割激光束,功率计则用于测量强度随时间的变化。通过在多个切口中获取积分强度分布图,再运用为层析成像开发的算法,可以重建原始光束分布图。尽管这种技术通常不适用于脉冲激光器,且不能提供真实的二维光束轮廓,但它具有优异的分辨率,在某些情况下,其分辨率甚至小于1μm。

相前技术

该技术利用Shack Hartmann波前传感器中的二维微小透镜阵列,每个透镜会重新定向其光束的一部分,然后从偏转的子束的位置重构原始光束的相位,从而实现对光束的精确测量和分析。

历史技术

包括照相板和燃烧板等的使用。例如,通过观察缓慢燃烧的丙烯酸酯块来对大功率二氧化碳激光器进行光束分析,不过这种技术相对较为传统,在现代激光束分析中已逐渐被更为先进的技术所取代。


激光光束检测仪的广泛应用领域

激光切割

在激光切割过程中,具有椭圆形光束轮廓的激光器沿不同方向的切割宽度会有所不同,光束的宽度直接影响切口的边缘质量。较窄的光束宽度能够产生较高的通量,使加工的零件更倾向于电离而不是熔化,从而提高切割的精度和质量。激光光束检测仪可以帮助操作人员精确控制光束宽度,优化切割工艺。

非线性光学器件

非线性光学材料的频率转换效率与输入光强度的平方(有时甚至是立方或更大)成正比。因此,为了实现有效的频率转换,需要将输入束腰尽可能地减小。光束检测仪能够协助工程师准确测量和控制光束腰的大小,从而提高非线性光学器件的性能和效率。

对准

与虹膜相比,激光光束检测仪在光束对准方面具有更高的角度精度,能够确保激光束的精确指向和定位,这对于许多需要高精度对准的光学系统和设备至关重要。

激光监控

在激光设备的长时间运行过程中,需要实时监控激光输出,以查看光束轮廓是否发生变化。保持特定的光束形状对于自适应光学器件、非线性光学器件以及激光到光纤的传输都具有重要意义。此外,通过对泵浦二极管激光棒的发射器进行成像并计数发生故障的发射器数量,或者在激光放大器链的各个点上放置多个激光光束检测仪,可以全面了解激光器的工作状态,及时发现并解决潜在的问题。

激光和激光放大器的发展

脉冲泵放大器的热松弛会导致增益晶体的时间和空间发生变化,从而扭曲放大光的光束轮廓。放置在放大器输出处的激光光束检测仪能够实时监测光束轮廓的变化,提供大量有关晶体瞬态热效应的信息。通过调整泵电流到放大器并优化输入功率水平,可以实时优化输出光束轮廓,提高激光和激光放大器的性能和稳定性。

远场测量

对于用于激光雷达或自由空间光通信的激光器,了解其光束轮廓,即所谓的“远场”,具有重要意义。光束在其远场中的宽度决定了通信接收器收集的能量以及入射在激光目标上的能量。由于所需的路径长度较长,在实验室中通常难以直接测量远场光束轮廓。然而,通过使用透镜改变光束,使远场出现在其焦点附近,再放置激光光束检测仪在镜头焦点附近,就可以在狭窄的空间中实现对远场光束轮廓的精确测量。


景颐光电大口径光束质量分析仪的技术优势

景颐光电的大口径光束质量分析仪不仅具备相机技术的基本功能,还在多个方面展现出了独特的优势。其芯片尺寸大,可达22.5mm*22.5mm,单像元尺寸可达11um,这使得该分析仪在测量精度和分辨率方面表现出色。同时,该产品的光斑检测直径范围为110μm~22.5mm,能够满足不同尺寸光斑的测量需求。此外,标配的衰减片方便了操作,用户还可以根据实际需求选择更高功率衰减配置,功率范围可达1000W。该分析仪还支持手动和自动实时曝光及增益调节,能够根据不同的测量场景和需求进行灵活调整。


在主要测量功能方面,景颐光电的大口径光束质量分析仪涵盖了光斑直径(长轴/短轴,X/Y方向)、椭圆度、高斯拟合度、能量分布、光束位置、发散角、Pass/Fail设置等高速度、高分辨率显示2D和3D伪彩色光束轮廓等功能。同时,该分析仪还支持实时进行光斑的伪彩色2D显示、长短轴的高斯曲线显示,能够直观地展示光束的特性和分布情况。此外,该分析仪还支持控制相机的曝光、增益和分辨率,支持参数的统计分析,能够记录和导出参数,或者生成报告,方便用户进行数据处理和分析。该分析仪还支持读取光斑图片并测量参数,具有多选择的图片保存功能,支持USB3.0接口,图形化界面易上手,可自由设置,并且可定制拓展功能,能够满足不同用户的个性化需求。

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