光束轮廓：您的激光器没有告诉您什么？

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在过去的几十年里，激光束轮廓分析仪器取得了长足的进步。它有助于确保质量体系的建立，并避免材料加工应用中的不良后盖。

凯文·柯克汉姆，MKS/奥菲尔

       虽然调高激光功率将在材料加工过程中产生更快的结果似乎很直观，但光束测量工具通常显示，这只会将激光的能量分布在更大的区域内，从而降低被加工材料上的辐照度（每单位面积的能量）。现在的光束轮廓仪允许最终用户调整其激光工艺，以实现精确的辐照度，该辐照度足以完成任务，但又不会太强，例如，焊缝过热并呈现不太理想的结果。

       并非总是能够快速轻松地评估激光加工工具的光束质量。曾经，激光操作员依靠压舌板、橘皮或仅依靠工作台末端的墙壁来观察和测量激光器的横截面能量分布或光束轮廓。剃刀刀片甚至被用来测量一些原型脉冲激光器的功率。通过“吉列”刀片比较光束，用可以穿透的叶片数量来表征脉冲激光的能量。后来，肉类温度计和电盘等设备得到了应用，尽管它们的读数通常只能提供大致的估计值，缺乏当今测量设备所见的精度和易用性。

       光学应用的发展既受到可用的精确适用测量系统的推动，也受到抑制。激光应用的许多进步都是由用于测量其应用特性的技术的同步增长推动的。

       从最初的注重便利的激光束测量产品，到成为当今精心设计的激光测量解决方案基础的智能创新产品，该技术不断发展，以解决测量激光参数的挑战，这对早期激光应用的成功至关重要。

功率计和光束轮廓仪

       如今，大多数激光用户都熟悉功率计，它使用半导体或热电堆传感器来测量从几飞瓦到数百千瓦的激光功率。高能脉冲激光器的用户使用热释电或半导体传感器来测量每个脉冲中所含的能量。能够测量微焦耳到千焦耳脉冲的商用激光能量传感器可以不间断地量化单次到数百千赫兹脉冲频率。

       激光器的横截面强度分布或光束轮廓是另一个经常测量的重要参数。光束轮廓可以提供未对准的腔或传输光学元件、退化或未对准的聚焦光学器件以及影响传输的激光能量的其他问题的视觉指示。光束轮廓产品提供光束强度、尺寸、位置和径向对称性（或平顶均匀性）的数值分析。这些数据的统计分析可用于监控操作参数，寻找加工异常或趋势，并记录工艺参数的一致性。

       基于扫描孔径的传感器也用于对激光束进行轮廓分析。这些设备因为光束通过非常细的狭缝或微观针孔在短时间内形成光束轮廓。基于孔径的传感器只需要很少的光衰减（如果有的话），因为只有一小部分激光通过孔径传输到单元件探测器。

       基于相机的系统需要许多数量级的光衰减，因为相机传感器可以在低至1.0μW/cm²的辐照度水平下饱和。用于激光束轮廓的光衰减器可以安全地提供多达 16 个数量级的光衰减，而入射光束的失真非常小。成功执行光衰减需要仔细的工程设计和材料选择。高性能材料，如激光级熔融石英，具有非常低的污染、高透明度、出色的光学表面质量和平整度——成为多千瓦激光束采样系统所必要的属性。

轮廓仪

       热释电和硅线阵探测器以及扫描孔径产品被早期的激光创新者用来监测其不可见激光束的强度分布。最初基于相机的光束轮廓仪包括模拟CID（电荷注入装置）和CCD传感器，或者对于NIR（近红外），带有硫化铅光电阴极的视频相机。低分辨率热释电矩阵阵列探测器用于表征在短波到长波红外范围内工作的激光束，因为这些阵列是唯一可用于检测这些波长的设备。

       如今，1980 年代的 8 位模拟摄像机已更新为 12 位和 14 位百万像素版本，具有巨大的动态范围和空间分辨率。短波红外（SWIR）光谱中的高分辨率InGaAs相机轮廓光束以及热释电和微测辐射热计相机广泛用于监测中波红外和长波红外激光器。随着模拟接口的更换，摄像机连通性也显著增加。取而代之的是，高分辨率图像在相机中数字化，并通过高速USB 3.0或千兆以太网电缆发送到安装在笔记本电脑、PC或智能手机上的光束分析应用程序。

       第二代扫描孔径传感器可提供完整覆盖从紫外到长波红外的激光光谱的多种选择。扫描狭缝和扫描针孔系统几乎不需要激光束的光衰减，这使得它们非常方便用于通常具有高水平激光辐照度的工业应用。由于使用了专用材料，扫描孔径和基于相机的光束分析产品现在可以监测多千瓦功率光纤和盘式激光器的聚焦区域，而不会损坏传感器或光束采样光学器件。

今天的功率测量

       用于连续波或脉冲激光器的非制冷激光功率测量系统可以在工作现场方便地监测光束强度。当前的系统，如 Ophir 的 Ariel 仪器，可以分析高达 8000 W 的功率输出，而无需水冷，以测量典型加工功率密度下的未聚焦光束。此类仪器的应用包括分析用于增材制造以及切割、焊接、热处理和其他材料加工应用的激光器的功率和能量。

       Coherent相干公司PowerMax-Pro的高速薄膜热释电传感器系列进一步说明了光束轮廓如何从实验室迁移到工作车间。该技术为用于高精细微加工和材料加工应用（如塑料焊接和玻璃划线）的中波红外和FWIR激光器提供校准功率检测和脉冲形状监测，并具有微秒级上升时间。

非接触式测量

       用于组装燃料电池和焊接电池组件的千瓦光纤和盘式激光器现在可以通过非接触式光束轮廓系统进行监控。这些集成系统找到焦平面 - 沿最小光斑尺寸的传播轴的位置 - 并根据光束中的总功率，得出施加激光能量的辐照度分布剖面位置。关键工艺参数（例如焦移或光束腰部位置的变化、焦深、光束大小、功率和工作平面上的辐照度）都是激光系统性能的指标。粉末床工作表面的适当辐照度是增材制造加工应用的一个特别关键的指标。当前的测量解决方案还可以存储数据，允许将列出的所有性能参数与以前的性能配置文件进行比较。

       非接触式激光分析仪可以同时监测整个聚焦区域、光束焦散和激光功率。从这些测量中获得的图像定义了可用于激光工艺的辐照度曲线。在每个加工过程之前和之后测量激光参数可能会稍微减慢加工速度，但它可以确保将正确的能量/辐照度应用于零件以加工所需的产品。未能准确监测参数（例如激光功率、能量和工件辐照度）可能会浪费宝贵的材料和加工时间。此外，它还会使工艺暴露在不合格条件下，这可能会产生更多的废料并使工艺降级到对最终产品的使用寿命产生负面影响的程度。

下一步是什么？

       几十年来，激光技术一直依赖于测量系统和技术来实现应用的增长，并帮助提高激光制造的性能和产品质量。

       工业激光器的现代应用直接受益于测量技术，激光工具的持续使用取决于对关键激光参数的高保真分析，例如输出功率或能量、工件辐照度、焦平面位置和光束的稳定性。

       创新一直在激光测量工具的开发中发挥作用，当前的监测技术有望帮助实现激光加工的下一次革命。任何基于激光的努力都将受益于对激光性能的更深入理解。

       将来，激光系统性能的监测可能成为标准做法，以保持持续的正确辐照度记录，达到过程监控目的。应用于工艺的最佳光束的清晰轮廓将有助于隔离或证明激光是工艺退化的罪魁祸首。但它也可以通过验证该过程是否稳定且可重复，并且是否维持以前生产优质产品的条件，来帮助确保高附加值激光加工工艺的成功。

       新技术和测量技术无疑将出现，以实现激光加工和光学关键新应用的新革命。

       下一步是什么？更先进的传感器技术——例如具有较小像素、更大传感器和扩展波长覆盖范围的相机——有望随着成本的降低而得到更广泛的应用。紧凑型激光束采样光学器件可实现在线光束分析。非接触式方法将得到更多应用。

       最后，在加工前和加工过程中测量激光参数将变得更容易，在问题发生时解决问题，而不是因对加工变量的了解不足而返工或报废产品。

       现在可以轻松监控高功率激光系统的性能。快速、非制冷的功率传感器和非接触式光束分析工具使表征变得简单且经济高效。早期的激光先驱意识到需要精确、可重复的测量。你能承受不了解你的激光器吗？

认识作者

Kevin D. Kirkham 是 MKS Instruments 的 Ophir 新业务开发高级经理。他在激光诊断和质量评估方面拥有30多年的经验。在加入MKS之前，他曾担任Coherent相干公司的产品经理和Molectron Detector的区域销售经理;电子邮件：kevin.kirkham@mksinst.com。

关于 MKS Ophir， Light & Measurement

光子光谱 2021年 6 月