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激光测量仪器 |
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光束质量分析仪在激光行业的应用 |
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作者：北京高光科技有限公司 阚倩 桑志刚 王占锋 来源：《激光世界》 |
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在医学、工业生产、激光打印、激光打标、激光焊接、激光切割以及光纤通信等多种激光应用领域，光束质量分析为激光器的有效使用提供了很多有价值的信息。在实际测量中，光束分析应用广泛。光束轮廓显示了光束的全部空间特性，包括光束的传播、光束质量和光束的实用性。另外，它还可显示如何高效地调整和修改激光器的输出。光束轮廓在搭建激光打印机和光纤对准的光学系统时非常有用，如果光束轮廓未知，那么激光将很难甚至不能投入使用。
光束分析仪的应用领域
1. 激光制造业
对于传统的激光器制造商而言，光束质量分析已成为标准技术。均匀散射激光束的品质由以下参数定义：衍射极限倍数因子M2，或它的倒数k因子。
M2或k因子给出了激光光束聚焦程度的理论测量方法。这对评价不同应用领域的光束好坏非常重要。M2或k=1表示理想的衍射光束。换句话说，它直接与波长和透镜系统的衍射极限相关，和激光本身没有任何关系。 
激光二极管和垂直腔面发射半导体激光器（VCSEL）都是半导体激光器，有着比近轴光束更大的发散角。从典型的激光腔中检测这类激光非常困难。通常重要参数包括：功率输入-光强输出曲线（称为LI或LIV曲线）、光束的光谱以及发散角。由于半导体激光器的发散角较大，需要用透镜聚焦得到可用光束。通过光束形状和发散特性，能够得出光学设计中设备的工作情况。LI曲线可以提供激光器的输出效率，并能探测到二极管生产工艺中的任何瑕疵。二极管激光器的波长由晶格的物理结构以及它怎么构成激光腔决定，因此，二极管激光器系统不仅需要测量LI曲线和发散角轮廓，还需要进行光谱测试。
2. 医学/生物技术领域
在医学和生物技术行业，激光的应用非常广泛，从光手术刀到读取DNA芯片遗传密码的扫描仪。这些应用都需要对激光光束进行整形和调整。光束分析仪直接检测光束形状，观测光束能否达到期望值，如果不能，就需要进行实时调整。美国FDA和国家卫生管理机构对医疗器械的测试有严格的要求。符合“生产质量管理规范”（GMP）和“非临床研究质量管理规范”（GLP）是最根本的要求。为保证医疗设备的性能，这两个规范都要求进行可重复和可追踪测试。不管是Lasik眼科手术、腹腔镜手术中使用的光手术刀，还是其他病人护理中的激光器，可追踪、可校准的光束分析仪对维护和校准这些医疗激光系统都是非常必要的。
激光在生物技术中的应用主要是基因组和蛋白质组“芯片实验台”探测器的扫描。这种系统使用激光光束识别（或“读取”）DNA和RNA序列的积木式“字母”或蛋白质的氨基酸成分。光斑质量越好，采样就越小。光束分析仪可以帮助对这一类扫描仪进行最后的微调。
3. 制图和印刷工业
激光印刷工业最早利用光束分析仪来设计和制造激光打印机的核心部分——激光扫描单元（LSU）。这需要了解系统的光斑尺寸、阵列以及光束摆动对激光打印机的影响，并做进一步的改进。激光打印机行业的市场竞争非常激烈，因此降低LSU的生产成本极为重要。尽管如此，每一个LSU都必须进行调整和测试以确保正确运行。常规的LSU测试时间大约需要20分钟，一种新的仪器测量技术可以把测试时间减少到几秒。LSU的生产能力由此增加了十倍以上，因此测试成本得到显著降低。
4. 条形码扫描和光存储
条形码扫描和光存储技术利用激光光束读写信息。与生物扫描技术和激光打印一样，光束越小，读写信息越精确。然而，为了让扫描仪处在方便的工作距离范围之内，条形码读取器需要光束的操作范围非常长。光束的束腰区域的长度称为瑞利范围，就是光束直径的 区域，这里D0称为光腰，或称为光束最小直径。
光束分析仪的实时成像图
光束分析仪可以直接测量和调整光束达到长瑞利范围，以保证扫描仪的良好性能。另一方面，对于光存储，光束通常被优化为一个非常小的光斑。光存储激光器的焦点非常关键，因为光斑大小和瑞利范围成反比。
对于比较小的光斑，发散角必须足够大；对于发散角较小（比如长瑞利范围、准直光束）的情况，光腰值必须大。
5. 焊接和切割领域
由于激光能在工件上发射精确的功率密度，大多数高功率焊接和切割激光器都利用了激光的这种精密性。为了保证使用过程中精度的持续性，监控激光的性能非常重要。现在通常所采用的处理方法是检测瑕疵处，或者监控未聚焦光束和推断聚焦光束的性能。
但这两种方法都不是最佳解决方案。首先，为了了解激光是否正常工作，需要浪费材料和时间制造一个缺陷，有时缺陷还很难被探测到，只有在激光加工过程中才能被探测出来，这样就产生了额外费用，增加了废弃和返工的可能。监控最初的激光束的缺点是只检测了激光器，而不是实际的光学系统，它不能告诉您下一步怎么处理半成品。通过设计合理的狭缝扫描光束分析仪，比如Photon公司的高功率NanoScan光束质量分析仪，就可以测量光束在真实情况下的工作状态。它可以精确地测量在工作台上的光束直径、形状以及功率分布。提供光束直径的数值、椭圆率，以及光斑质心的位置。对激光器、聚焦系统和发散系统所出现的问题都可以提前预警。 (end)
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(10/30/2007) |
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