教程
作者:Photon Inc 的 Allen M. Cary、Jeffrey L. Guttman、Razvan Chirita、Derrick W. Peterman

新仪器在设计上允许以标准 CCD 相机的采样更新率实时测量 M2 光束质量因子。这样就可在调节激光腔的同时测量从单发到连续波的激光光束,从而大幅减少此操作所需的测试时间。在本文中,我们将讨论这种创新的 M2 测量方法背后的理论基础,并介绍如何为系统选择适用于各激光类型和光束形状的光学组件。作者将向您介绍不同激光和激光类型的多次测量结果(包括固态二极管、光纤和传统气体激光;M2 值的范围从接近 1 一直到到相当高的值),以及这些结果与其他测量方法的比较。

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作者:Ophir Photonics 集团中大西洋地区销售经理 Dick Rieley

某个研究机构一直在开放一个关键性程序,这个程序需要 193nm 波长的脉冲 DUV 激光光束。目前的设备只能生成灰阶影像,几乎无法提供有关整个光束轮廓能量强度分布的相关信息。解决办法是使用基于 CCD 相机的分析仪。

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作者:Ophir-Spiricon 营销总监 Allen Cary

测量激光光束质量因子,是了解激光光束质量以及预测光束在各种激光应用中的性能的一种重要方法。因此,该参数是激光用户要求的一个主要规格指标,也是激光制造商要提供的主要参数之一。Ophir-Spiricon 在提供专用于测量这一重要参数的仪器方面走在行业前列。目前 Spiricon 和 Photon 品牌共提供三种不同的仪器,在本文中,我们将解释这些仪器之间的差异,以及使用不同方法进行此类测量的原因。希望这有助于您确定最适合您的激光器和激光应用方法

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作者:Ophir-Spiricon 营销总监 Allen Cary

激光最有用的一个特性就是可以形成一条直线传播到很远的距离,很多光学系统在设计上都是利用了激光的这个特性。因此,通常会使用光束分析仪来验证激光和光学系统的性能,避免由于准直不佳而引发问题,或者使这些仪器的制造流程更有效率。这通常是一个简单的测量过程,用于确定激光点在空间的聚焦位置或指向位置,很多激光应用都与此有关,从激光测距、光学扫描、激光打标到制造激光打印机,等等。光束分析仪可以确定光束透射到探头的哪个位置,但不同类型的分析仪测量时的精度和准确度会有所差异。大部分情况下,测量时都是将光束分析仪放置在距激光源一定距离的位置,然后调整光束准直,直至指向理想的目标点。对于激光扫描应用,可能需要对扫描平面的不同位置进行测量,以确保激光保持合适的线性。不过,这种测量操作要更复杂,需要更多了解激光性能。

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10mW 到 1W 功率的激光的轮廓分析需求正变得越来越常见。这类激光器有很多都是工作在可见光谱范围,因而可以利用 CCD 和 CMOS 相机系统来测量。与任何使用相机阵列测量的激光一样,需要对光束进行衰减,但衰减过程中需要谨慎行事。这类光束的能量不是那么强,对一般的吸收型滤光片不会造成损坏或破坏。实际上,可以堆叠滤光片形成足够的光学密度,使 1W 激光的功率降低到不会渗透入探头的 nW 级水平。不过,这样操作很有可能造成测量结果不正确。这是由于所谓的热透镜(或称为热开花)现象。激光的能量对吸收型滤光片的局部区域加热,会改变其光学属性。这种改变通常会导致滤光片基质的折射率发生变化,形成一个会使光束聚焦或发散的透镜在较低功率下,这种现象能通过可辨别的时帧观察到,也就是所谓术语“开花”的由来。不过,这种情况也有可能在瞬间发生,给人造成稳定和测量准确的错觉。

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有关光束分析仪动态范围的报告数据很多情况下会引起混淆。本应用说明的目的是解释在 Ophir-Spiricon 及其他光束分析仪供应商阐述此参数时用到的一些术语。

定义
动态范围是指最大可测量信号与最小可测量信号的比率。最小可测量信号通常定义为等于噪声水平或者说“噪声等效曝光量”或信噪比 (SNR) 为 1 的点。

要测量光束轮廓,信噪比(SNR)至少要达到 10 才能获取到勉强可用的结果。要达到 2% 的精度,就需要 100:1 这样的信噪比。不过,在仪表规格中,Ophir 和其竞争对手都使用“数字动态范围”这个术语。下面的讨论将使用这个术语来展开。

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Ophir Photonics 在多款用于光束轮廓分析和激光功率测量的产品中使用了热释电探头。Photon 和 Spiricon 品牌的产品属于基于扫描狭缝或阵列技术的激光光束分析仪;而 Ophir 品牌的产品则属于激光功率测量仪器。

Spiricon Pyrocam III
Pyrocam™ III 是热释电阵列相机,可用于分析波长极短的紫外线激光或从近红外波长到极远红外波长乃至太赫兹波长的激光的轮廓。

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作者:Ophir-Spiricon 工程设计总监 Jeffrey L. Guttman 博士

摘要: 透镜光纤和锥形特种光纤的模场直径 (MFD) 和“光点尺寸”通过远场和近场测量来确定。在远场中,使用 3D 扫描测角辐射计进行测量,可提供完整的半球轮廓。此外还会报告由这些数据生成的近场间接测量值,包括 Petermann II 模场直径、使用远场高斯近似法确定的 1/e2 光点尺寸,以及使用相位补偿技术从远场 2D 傅里叶逆变换获取的测量值。在近场中,使用红外光导摄像管相机和放大物镜进行直接轮廓测量,所报告的光点尺寸为成像轮廓的 1/e2 直径。

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作者:Ophir Photonics 集团中西部地区销售经理 John McCauley

随着不断的使用,激光光束的输出也会像照明灯泡一样发生变化。如果激光是用于制造高精度、高可靠性的零件,这种输出变化就会带来麻烦。因此,就需要定期测量和调整决定光束质量和一致性的激光特性。

在激光的使用过程中,保持激光的有效性需要执行几个步骤。这种维护非常有助于防止由于激光输出变化而对所生产的最终产品造成影响。

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作者:Richard B. Price(牙科学士、牙外科博士、硕士、博士、FDS RCS (Edin), FRCD(C));Daniel Labrie(博士);J. Marc Whalen(博士);Christopher M. Felix(化学学士)

目的: 就距离对 4 个发光二极管光固化机的辐照度和光束同质性的影响做定量分析
材料和方法: 对以下四款发光二极管光固化机进行评估:Fusion、Bluephase 16i、Demi 和 FlashLite Magna。将 3.9-mm 直径的探头连接到分光计上,在从辐射尖端开始的 1.0 至 9.0 mm 位置测量光束中心 (ICB) 的辐照度。每个光固化机发出的光束的均匀性以距离辐射尖端 2.0、4.0、6.0 和 8.0 mm 位置处的“平顶因子”来表征。计算有用光束直径(在该直径范围内的辐照度值大于 400 mW/cm2)。通过对差异及显著水平为 α = 0.01 时的 Fisher 最小显著差异检验进行分析,比较 ICB、平顶因子和有效光束直径。

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Ophir-Spiricon 中西部地区销售工程师 John McCauley。

该换辆车了。这段日子,和所有人一样,你有点在意成本,希望钱花得超值。于是你决定去当地二手车行看看有什么收获。你还没有从车上下来,那个老练的二手车销售员就靠了过来,他将一张名片塞给你,过于热情地要帮你找一辆新车。你看到两辆比较符合你预算的二手车。不过近前去看,你感觉有什么东西不对头。在你面前的是两辆完全一样的车:一样的制造商、一样的车型、一样的出厂年份、一样的颜色,甚至保修期都是一样的。不过其中一辆比另一辆便宜 5000 美元。嗯...你感到疑惑。第一辆车,也就是较贵的那辆车,似乎显得很整洁,看起来不错,车内也没什么异味。不过,当你迈入第二辆车的驾驶室时,你就立刻明白了为什么价格上会有差异:第二辆车竟然没有仪表板!没有转速表,没有油表,没有报警灯。

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作者:Jeffrey L. Guttman, PhD, Director of Engineering 和 Allen M. Cary, Sales & Marketing Manager, Ophir-Photon LLC

光束分析仪放大倍率校准涉及对已知光束位置转换的测量点重心。 这可以通过移动分析仪或移动点来进行。 前一种方法是首选,因为放大倍率的分析仪通常安装在高品质三轴转换台上。 对于 25x 或更大的放大倍率而言,建议使用配备差示测微计的测试台,能够产生精确和可重复的 1 m 步长。

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 What is M2?

M², 或光束传播比,是一个用于衡量激光光束同单模 TEMoo 光束接近程度的值,该值关系到激光能够聚焦到多小的束腰上。 完美高斯 TEM00 条件下 M² 等于 1。

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 Benefits of Beam Profiling

 Watch the beam profiling video
 
光束轮廓分析的好处
您可以更好地利用您的激光器
  • 图1中是一台工业用Nd: YAG激光器,近高斯光束,100W输出功率和1.5kW/cm2功率密度。 图2中是相同的Nd: YAG光束但功率更大,170W,但它分成2个峰值,所产生的功率密度只有1.3kW/cm2。 光束功率密度下降了13%,而不是预计的增加70%。 没有测量光束轮廓和光束宽度,您无法知道功率密度发生了什么事,以及为什么性能没有改善
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Ophir Photonic 的 BeamCube 是对医学设备制造中使用的激光焊接系统进行性能测量的一站式产品,它受到越来越广泛的欢迎。 它可同时对中低功率激光焊接参数进行测量、记录、监控,以确保符合联邦政府要求和设置的制造限值。 BeamCube 使用 CCD 相机、热电堆传感器和快速光电二极管来测量激光焊接的光束轮廓、平均功率、空间脉冲轮廓。

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选择最佳激光轮廓分析仪是一个复杂的过程。 由于众多因素的存在,因此没有哪个分析仪能适用于所有激光器。 在此,我们希望帮助您首先搞清楚在购买激光轮廓分析仪(无论是在商店或其它地方)时要注意什么。

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作者: Allen M. Cary, Photon Inc. San Jose CA

今天,大多数与激光器打交道的人都尝试利用光束,无论是作为原光束或者更常见的光学修改光束。 无论是在零件上印刷标签,焊接高精度结合处,或修复视网膜,都需要了解激光束的性质及其性能。 激光束轮廓分析提供的工具可以分析激光的特征,准确地知道光束工作时的具体状态,以及是否光学器件达到预期效果。 激光器和激光应用存在很多种类,包括不同的波长、功率密度、焦距深度、光束大小、脉冲持续时间和无数其他参数。 正是这些丰富种类,使得激光器对与许多材料和媒介的交互和处理而言变得如此有用。 但是,也正是这种丰富性增加了光束轮廓分析过程的复杂性。

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作者:John McCauley,Ophir-Spiricon, LLC 公司中西部销售经理

无论您是初次接触激光还是已经在这个领域工作一段时间,可能都会疑问激光光束轮廓到底是什么。为什么担心刚刚投入生产的激光光束的质量呢?或者,如果您的工艺流程非常顺利,为什么要去校正那些本来没有问题的事情呢?您可能认为,在激光器的研究和开发阶段可能应该已经解决了激光光束质量问题,或者甚至在您手上的系统的制造或整合阶段已经解决。在这一点上,您可能是正确的,我们也希望如此。 但是,如果告诉您事情并不总是这样,你可能会惊讶不已(正如我当初那样)。

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到2010年4月27日,欧盟各成员国必需制订本地的一项法规,对工作场所人员接触的人工光学辐射量(AOR)予以评估和限制。

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问题: 我如何得知我的光束轮廓分析仪的测量是准确的?是否有标准的校准方法?

回答: 还没有一个校准标准可用来核实使用相机的光束轮廓分析测量的准确率。Spiricon 为提供了接近最佳的方法,使客户有信心能够从使用相机的轮廓分析仪获得可靠、一致的结果。此事可分为两个大的领域:1)输入(相机);和2)输出(从软件算法)。

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作者:John McCauley,Ophir-Spiricon, LLC 公司中西部销售经理

无论您是初次接触激光还是已经在这个领域工作一段时间,可能都会疑问激光光束轮廓到底是什么。为什么担心刚刚投入生产的激光光束的质量呢?或者,如果您的工艺流程非常顺利,为什么要去校正那些本来没有问题的事情呢?您可能认为,在激光器的研究和开发阶段可能应该已经解决了激光光束质量问题,或者甚至在您手上的系统的制造或整合阶段已经解决。在这一点上,您可能是正确的,我们也希望如此。但是,如果告诉您事情并不总是这样,你可能会惊讶不已(正如我当初那样)。

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到2010年4月27日,欧盟各成员国必需制订本地的一项法规,对工作场所人员接触的人工光学辐射量(AOR)予以评估和限制。

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概要

  • 模式质量概念定义
  • 模式改变时流程会发生什么
  • 光束轮廓分析仪器的详细介绍
  • 举例:如何诊断处理问题
  • 新的轮廓分析技巧
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作者:Lawrence Green,Ophir-Spiricon, LLC 公司

以前,由于最终用户的预算考虑,丙烯酸模式烧蚀作为成本最低廉的方案被广泛使用。但是,人们认为这种方法可能产生危险的致癌风载物质,且并非一种实时技术。另一方面,实时的光束轮廓分析由于价格昂贵,一直以来普通用户都难以接受。

我们讨论一种新技术,可以用来设计一种新型低成本的实时 CO2 高功率光束分析轮廓分析仪,可以使几乎所有的最终用户都能承受。这种设计不会产生危险烟气,而且可以实时运行。我们将提供使用此设备进行测试的示例和结果,并将其中一些与传统的使用相机的方法进行比较。

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作者:Larry Green,Ophir-Spiricon Inc.

概要

  • 用户可以用到的太赫兹范围
  • ——波长和频率
  • 太赫兹光束成像工具
  • 光学镜的类型和源
  • 相机和其它传感器
  • 结果
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CCD 相机除用于光学仪器应用外,还常用于许多成像应用。这些相机在场景成像和激光光束分析方面都有着优秀的性能。然而,有两个因素制约了 CCD 相机的潜在性能。第一个是相机的基线漂移。如果基线漂移到数字转换器的 0 点以下,那么背景数据将丢失,且无法修正。如果基线漂移到数字转换器的 0 点以上,将在场景中引入不真实背景。在这种情况下,通过采集没有输入图像的背景数据帧,然后在每个图像帧中扣除背景,可进行部分修正。(后面将详细介绍什么是“部分修正”)。

第二个限制 CCD 应用的因素是随机噪声高。典型的 CCD 相机使用 8 位数字转换器,其产生 256 个计数,在基线处有 2-6 个随机噪声计数。该噪声是典型的高斯分布,在平均线或平均基线附近有正有负。当利用标准基线扣除时,负的噪声成分被过滤掉了,只留下正的噪声成分。这些负噪声成分的丢失,使依赖于低强度背景的测量曲线失真。

有些情况下,基线漂移和负噪声成分丢失会造成非常重要的影响。例如,在图像处理过程中,当分辨物体对比度很低的数据时,负噪声成分的丢失将会影响这种对比度。其次,激光光束宽度的测量,要求对输入光束的非常低强度信号进行分析。由于光束强度低,但面积大,所以在测量光束宽度时,即使很小的失真也能产生很大的误差。

在测量激光光束宽度时,基线误差对结果的影响尤其重要。光束宽度测量十分重要,因为在测量位置要给出光束尺寸,将该尺寸用于激光发散测量,这对于衡量激光光束质量的最终标准 M2 的测量相当关键。激光光束宽度的一种测量方法叫做二阶矩法,或 D4σ 法,该方法是 ISO 定义的真实激光光束宽度,其对基线处的噪声特别敏感。D4σ 测量方法对进入设备的所有光束信号进行积分,给出噪声和信号的权重。在没有负噪声成分及其它有效限制噪声效应的运算方法时,不可能进行正确测量。

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作者:Carlos B. Roundy,Ph.D.

在很多应用领域,激光光束轮廓都至关重要。当光束轮廓是重要因素时,通常就需要对其进行测量,确保存在一个合适的光束轮廓。对于一些激光器和应用而言,可 能只在激光器的设计或制造阶段,这一点才是有必要的。对于另外一些情形,则有必要在激光操作期间对激光轮廓进行连续的健康。例如,对于激光器在科研中的应 用而言,经常要让激光在极限下工作,有必要连续地或周期性地测量激光光束轮廓,以确保激光器仍然保持工作在预期状态。对于某些工业用激光器的应用,则要求 周期性地监控光束轮廓,以消除因激光器退化而产生的次品问题。在其它应用中,例如医学方面的激光器应用,由于从业医师没有能力对激光器进行调谐,厂商在设 计时要对光束轮廓进行测量以保证在任何时候都能获得可靠的激光性能。但是,有些医学上的激光应用,例如光折射角膜切开术(PRK),通过周期性检查光束轮 廓能够在很大程度上可以增强手术的可靠性。PRK 只是激光光束整形的一个例子,该过程将激光光束辐射度沿着其剖面进行了改变。
为了使激光光束整形有效,能够测量整形介质使辐射度模式或光束轮廓的修正程度就显得非常必要。
本文描述了激光光束轮廓分析技术的一般现状。1-14介绍了光束轮廓分析的一般需要、激光光束轮廓的测量方法,在激光光束轮廓测量中使用的设备介绍,关于通过简单观察光束轮廓可以获得信息的讨论,以及最后,如何对激光光束轮廓进行定量测量,以及定量测量的重要性。

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人们在 100 多年前就发明了哈特曼传感器来进行光学计量。随后这些传感器被适应性地应用于各种领域,包括自适应光学、眼科学和激光波前特性。在本文中,我们将解释 Spiricon 哈特曼波前分析仪(HWA)的操作,分析该设备存在的局限性,并同其它类似技术做比较。

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M2,或光束传播比,是一个用于衡量激光光束同单模 TEMoo 光束接近程度的值。相应地,这关系到激光能够聚焦到多小的一个光斑上。

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