光纤激光器对光束分析提出了特殊挑战

2008/8/6/09:57 来源：光电新闻网

    光纤激光器正日益广泛地应用于标记、加工、材料熔化中，或利用复杂的图案和形状来修饰材料。在这些应用中，激光功率从几瓦到几千瓦不等，与其它同功率的激光器相比，光纤激光器的关键优势在于其发射的光束比其他激光器的光束更接近于高斯光束。因此，有效的光束分析技术将在评价光纤激 光器、预测其在相关领域的应用效果和最大限度发挥光纤激光技术潜力等方面发挥越来越重要的作用。 

    光束剖面图用来测量光束的空间能量分布。该剖面图能提供定性分析，如“热区”的肉眼观察或激光光束质量的整体评价。光束剖面图也可以用于定量分析，如光束直径、光束位置或M2。定量数据对于光学产品装配中的透镜准直和激光器的定量参数尤其重要。采用以下几个光束分析方法可以获得这些定性和定量的数据。 

    传感器阵列 

    采用硅CCD和CMOS探测器阵列的相机在光学实验室和光学加工车间中随处可见。利用这些相机可以方便地获得激光剖面图，但硅传感器不能暴露在用于机件钢加工和外科手术的激光器的输出端。因此，为了使传感器不受损伤，需要进行光束强度衰减。此外，必须在探测器未饱和前提下才能产生有意义的剖面图，这就需要额外的光束强度衰减。 

    对功率为1W或更高的激光束进行衰减时需要使用反射衰减，因为吸收式的衰减器会过分受热，造成热损伤或热膨胀，从而导致光束剖面图扭曲。一般来说，对于硅探测器，功率为1～1000W的光束必须衰减9～12个量级。由此带来的问题是衰减后的光束能在多大程度上与原来的光束保持一致。草率的进行衰减会导致不良后果，尽管可能会在一定程度上保持光束完整性（见图1）。 

    阵列探测器的优势在于能产生光束的二维图像，从而提供直观定性的信息，同时也为探测光束中的热区提供了一个好方法。然而对于一些定量的信息，如光束直径、光束位置等，的精密测量，传感器阵列通常不是最佳选择。阵列探测器的适宜性还取决于被分析的光束的直径。 

    以直径大于100μm的光束为例，利用硅探测器阵列对光束进行测量分析，其精度在3％到5%之间。更高精度的测量可以利用刀口法。硅探测器工作的波长范围在190nm到1100nm之间，而许多光纤激光器的工作波长大于1100nm，因此光束分析还必须使用其它像素大小为几十微米的阵列探测器，如铟镓砷（InGaAs）阵列探测器、摄像管探测器和热电阵列探测器等。这些探测器不仅成功地应用于高功率光束分析，其像素尺寸还可以对直径大于500μm 的光束进行分析并提供有意义的数据。此外，采用这些探测器的相机价格昂贵。 

    移动测量法 

    移动测量法为高功率激光器的测量带来了便利。这种测量方法是指移动一条狭缝、刀口或小孔穿过光束，并测量通过移动孔径或狭缝的光。通过比较狭缝的位置和探测器信号，得出剖面图。狭缝比小孔更容易实施，并且空间分辨率比刀口的要高。在狭缝中，光束剖面图是通过比较狭缝位置和探测器信号决定的，从而保证了光束直径测量的高精度[1]。利用旋转的鼓状物上成直角分布的两条狭缝可以产生正交的剖面图（见图2）。 

    狭缝也可以看作物理衰减器，只让一小部分光透过。这有益于高功率光源的测量，因为探测器每次只能探测到剖面的一小部分。利用热电探测器和反射式狭缝可以对功率高达几千瓦的光束直接进行剖面分析而无需任何光束强度衰减，从而减小了系统复杂度和系统误差。此外，利用狭缝轮廓仪测量光束的直径和位置，其分辨率可以达到亚微米，这是利用传感器阵列测量所达不到的。这些轮廓仪测量的动态范围达到四到六个数量级，并具有很强的灵活性。对波长大于1100nm的光束更是如此，此时可利用的传感器阵列的像素尺寸为几十个微米。 

    狭缝轮廓仪尤其适用于M2的测量，这对于光纤激光器很重要。和相同功率下运行的其他激光器相比，光纤激光器拥有近高斯光束和衍射极限性能。M2 的测量是指测量一系列沿光传播方向的光束直径，由此绘出由透镜产生的光腰图形。由于光束直径沿光腰方向不断变化，因此必须在大范围内随时捕获不断变化的功率密度。M2的测量需要在不同的功率密度下进行，因此狭缝轮廓仪的高动态范围，使得绘制光腰并生成计算结果变得简单易行。 

    狭缝轮廓仪的一个缺点是它不能测量重复率低于1kHz的激光脉冲。对于重复频率低于1kHz的光纤激光器，通常需要阵列探测器。尽管正交剖面图能提供二维能量分布信息，但由于狭缝轮廓的自身缺陷，会不可避免地丢失一些二维空间信息。 

    角度辐射计 

    角度辐射计常用作轮廓仪来测量发散角大于或等于10○的高功率激光束。许多光纤激光器就属于此范畴。由数值孔径（NA）表征的光纤的光束发散特性对于选择正确的光学器件来调整光束保证其高效率地工作而言是一个重要因素，因而引起了许多光纤激光器制造商的重视。光纤的模场直径（MFD）同样值得关注，因为它关系到光纤的耦合效率并可以用来监测光纤的制造过程。 

    光束的发散源对于正确绘制剖面图是一个极大的挑战。衰减发散光束的功率是不可取的，因为大多数衰减机制对发散光束边缘的衰减比中心处要大，使光束看起来比实际情况要细。发散光束在空间传播时迅速膨胀，导致其光束直径常常大于探测器的接收范围，因此要求对光束直径进行适当缩减以匹配探测器。因此，发散源的照相剖面图很难实现，而且结果常常不正确。 

    角度辐射计通过产生角度剖面图克服了以上的缺点。在该剖面图中，测试源位于圆周中心，探测器以固定半径旋转。在任何特定时刻探测器只分析光束的一小部分，因而比其它方法更容易描述高功率激光器的特性，而且几乎不存在衰减。探测器经常被固定在一个移动臂上，测试源和探测器之间没有任何其它的光学元件，从而消除了一个潜在的测量误差源。测量时可以旋转样品或移动臂进行角度扫描测量并生成测试源的三维图像。（见图3） 

    虽然角度辐射计克服了发散源的测量困难，但移动臂使测量速度变慢。一种快速角度扫描技术能够进行实时单轴扫描，并能产生完整的三维扫描图像。这种技术已经在发散激光器二极管和各种类型光纤激光器的测量中得到了证明。

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