Dataray公司满足各种场景中激光光束质量测试需求
来源:原创
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作者:陈亚辉 博士 海科思锐
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发布时间: 888天前
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激光光斑轮廓仪是对激光光斑的光强分布、光斑直径、椭圆度等参数进行测试的设备。M2测试仪是在光斑轮廓仪的基础上增加光学导轨和聚焦透镜，通过测试激光传输方向上不同位置的激光光斑直径，进而计算得出光束发散角和M2因子等激光参数。随着激光技术的发展，激光的输出功率越来越高，激光器种类越来越多，在很多场景中，对激光光束质量的准确测试面临着各种挑战，比如激光焦点的测试，中远红外激光的光束质量测试、千瓦级激光的光束质量测试等。
美国Dataray公司成立于1988年，30多年来一直专注于激光光束质量测试仪的研发，不断推陈出新，应对各种场景中对激光光束质量测试的挑战。本文针对几种典型的激光光束质量测试场景，分析其测试难点，给出适合的光束质量测试仪。在很多激光激光加工设备中，加工样品处于激光焦平面上，比如激光打标、激光3D打印、激光精密切割机等。激光在焦点处的实际光斑直径、光强分布、椭圆度以及焦点位置等参数会在很大程度上影响加工质量。因此对上述参数进行准确的现场测试就变得非常重要。在该场景的测试面临三个难点：1、高功率激光的衰减；2、光斑直径很小，焦点位置的光斑直径可能到10um左右，对光束质量分析仪的精度提出了很高的要求；3、一般要求现场测试，不像在实验室的光学平台上测试那么方便，为了寻找焦点位置，需要一定的辅助设备。针对高功率激光的焦点测试需求，Dataray公司提供高功率衰减器PPBS-UV-FS，覆盖190-2200nm，可以承受最高50W激光，采样率最小达0.02%。
针对激光焦点的光斑测试需求，Dataray公司可以提供两类光斑测试仪，一类是基于SCMOS相机的光斑测试仪，一类是基于狭缝扫描的光斑轮廓仪。
| WinCamD-LCM | BladeCam2-XHR | TaperCamD-LCM | WinCamD-THz | WinCamD-QD | WinCamD-IR-BB |
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| 355-1150nm；355-1310nm；190-1150nm；1480-1605nm | 355-1150nm；355-1310nm；190-1150nm | | 3 to 20 THz；350 to 1150 nm | | |
采用SCMOS相机的光斑轮廓仪最小可测试光斑取决于相机像素点点的大小，一般要求最小测试光斑直径大于等于10个像素点大小。因此BladeCam2-XHR是一个比较好的选择，最小测试光斑可到32um。以下是我们用BladeCam2-XHR光斑轮廓仪在客户处测试的针对通快公司的高功率绿光飞秒激光器的焦点测试结果。测得的激光焦点位置的光斑直径约50um。
相比基于相机的光斑轮廓仪，基于狭缝扫描的光斑轮廓仪，测试精度更高，最高精度可达0.1um，可以测试几个um的焦点光斑。以下是Dataray公司的基于狭缝扫描的光斑轮廓仪Beam R2的实物照片和主要参数。
| Si detector: 190 to 1150 nm
InGaAs detector: 650 to 1800 nm
Si + InGaAs detectors: 190 to 1800 nm
Si + InGaAs (extended) detectors: 190 to 2300 or 2500 nm |
| Si detector: 5 µm to 4 mm‚ to 2 µm in Knife-Edge mode
InGaAs detector: 10 µm to 3 mm‚ to 2 µm in Knife-Edge mode
InGaAs (extended) detector: 10 µm to 2 mm‚ to 2 µm in Knife-Edge mode |
| Second moment (4s) diameter to ISO 11146; Fitted Gaussian & TopHat 1/e² (13.5%) width
刀口模式适用于小光斑 |
| CW; Pulsed lasers‚ Φ µm ≥ [500/(PRR in kHz)] |
| 0.1 µm or 0.05% of scan range
± < 2% ± = 0.5 µm |
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| 1‚000:1 Switched; 4‚096:1 ADC range |
| X-Y Position & Profiles‚ Zoom x1 to x16 |
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| Windows, 2 GB RAM, USB 2.0/3.0 port |
以下是采用Beam R2测得的激光焦点光斑结果。
无论是基于相机的BladeCam2-XHR还是基于狭缝扫描的Beam R2，在测试脉冲激光器时，最小测试光斑都受到激光重频的影响，对于Beam R2，要求 Φ µm ≥ [500/(PRR in kHz)]。对于不满足该要求的脉冲激光（主要是低重频激光），建议选用基于相机的光斑轮廓仪WinCamD-LCM，该型号光斑轮廓仪对激光的重频没有要求。近几年，在终端需求的推动下，光纤激光器的输出功率不断提高，尤其是连续光纤激光器目前已达数万瓦，对于高功率光纤激光器的M2因子和发散角的快速准确测量需求越来越多。该测试的难点是对高功率激光的衰减。一般针对1um波长的激光，基于相机的光斑轮廓仪只需要mW量级的激光，在激光进入光斑轮廓仪之前需要对高达几千瓦甚至数瓦的激光进行衰减，衰减过程中一方面需要有效避免衰减器件对激光光束质量的影响，一方面需要对无用激光的安全接收，通常都需要对接收器进行水冷。为了避免多次反射对测试结果造成的干扰，一般采用棱镜组合实现高功率激光的衰减。以下光路图是典型的高功率激光M2测试方案。
Dataray公司将光斑轮廓仪和聚焦透镜、电动导轨结合在一起，就可以实现激光M2因子和发散角的测试。
针对大尺寸的光斑测试，Dataray公司开发出了孔径达25mm×25mm的光斑轮廓仪TaperCamD-LCM，可以应对大部分场景的测试要求。另外针对很长的线光斑测试，Dataray公司开发出了可以测试长达200m的线光斑的测试系统，该系统包括功能齐全的、以用户为中心的软件。该软件自动移动DATARY的旗舰WinCamD LCM光束轮廓相机，使用50或200 mm的线性工作台在激光输出线上移动，以捕获和分析整个光束。DataRay软件补偿任何残余传感器倾斜，以确保最精确的测量。
Dataray的线激光测试系统提供了线激光强度分布的完整图像以及垂直质心图、线宽图、强度图和其他一些有用的度量。该软件使用户能够生成带注释的PDF报告以及导出原始数据。最常用的CCD或者SCMOS相机光斑轮廓仪大都基于硅材料，响应的光谱范围为350—1150nm。可以通过在探测器表面镀磷光粉，将探测波段延长至1480 to1605 nm，或者镀紫外荧光粉，将探测波段拓展到190-1150nm。基于狭缝扫描的光斑轮廓仪使用单点探测器，通过采用Si+ InGaAs (extended)，可以直接覆盖190-2500nn的波段范围。另外，Dataray公司开发出基于量子点技术的相机光斑轮廓仪WinCamD-QD可以覆盖350-2000nm的测试范围，为近红外的激光光斑测试提高了新的选择。Dataray公司还针对中远红外激光的光斑测试开发出了WinCamD-IR-BB，
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| Broadband MWIR/FIR: 2 to 16 µm |
| 307 kilopixels, 640 x 480 |
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| CW, 脉冲 (auto-trigger sync) |
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激光光束质量的测试涉及到多种因素，上述论述只能涉及部分应用场景和部分因素的分析，如果您有相关测试需求，北京海科思锐光电仪器有限公司专业的销售工程师和技术工程师愿意和您充分沟通，为您提供最合适的测试产品。北京海科思锐光电仪器有限公司作为美国Dataray公司在中国的代理商，负责其全线产品在中国的销售和售后服务。欢迎广大用户来电咨询。北京海科思锐作为一家专业的激光/光电产品代理公司，代理产品包括：各种激光器（半导体激光器，固体激光器，光纤激光器，气体激光器等，连续，纳秒，亚纳秒，皮秒，飞秒，单频，宽调谐激光器等），激光测试设备（激光功率计/能量计，光斑分析仪，M2仪，光谱仪，波长计，红外观察仪，光电探测器，自相关仪，spider等），激光与光学元器件（激光镜片，隔离器，光栅，滤波片，半导体激光电源，光纤器件），光谱仪器，光机械（光学隔震平台，位移台，调整架，光机组件等）。
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