教程 - 基于狭缝轮廓仪

介绍
使用 NanoScan 狭缝扫描光束分析仪所遇到的问题,或者是扫描头损坏所致,或者是因为出现超出公差范围的情况。

扫描头损坏主要分为两类;激光器损坏和机械损坏。激光器损坏的情况最为普遍,所接触的激光的功率/能量密度过高及/或平均功率较高,是这个问题原因所在。这种损坏可细分为 2 类 :即所谓“即刻”损坏和“长期”损坏。

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定义“高功率”

Photon 的高功率 NanoScan 设计用于测量以往使用标准 BeamScan 或 NanoScan 产品无法测量的高功率激光光束。高功率是一个相当模糊的术语,不同语境下有不同的含义。我们所谓的高功率是指 100W 和 5000W 之间的功率,不过,高功率 NanoScan 并不能测量此功率范围内的所有波长。对于高功率的激光光束,使用发射材料进行处理,反射率(或者反过来说吸收率)取决于激光光线的波长。一般而言,较长的红外线波长(例如,二氧化碳激光器在 10.6 微米的波长)具有极高的反射性。这样就可以测量高达数千瓦的功率。在测量这类激光和功率级别时,主要的问题是扫描头上的热量聚集。测量鼓和狭缝的表面对这种波长的反射率超过 98%,因此仅有 2% 的入射功率会被扫描头吸收而带来升温。不过,功率为 5000W 时,2% 的吸收率对应的热负荷为 100W,这样的功率会升高内部组件的温度,有可能损坏探头和编码器电子元件。高功率 NanoScan 设计用于此类功率级别下的短时测量。光束只在扫描头上透射几秒钟的时间。该软件配备了记录模式,可轻松实现短时测量,然后在扫描头冷却过程中审核数据。

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Allen M. Cary, Jeffery L. Guttman Ph.D.,

简介

现在,对功率为 10mW 到 1W 的激光器进行轮廓分析正变得越来越普遍。 这些激光器中有许多是在可见光谱内,使它们能够用CCD和CMOS相机系统进行测量。 与用相机阵列测量的任何激光一样,需要使光束衰减,但有一些注意事项。 这些光束还没有强大到能损坏或毁坏通常的吸收滤光片。 事实上,可以迭加足够的光密度,将1W激光器的功率降低到pW水平,这样就不会使探测器饱和。 不幸的是,这样做将极可能导致错误测量。 这是由于一种称为”热透镜”或“热晕”的现象。 激光能量加热吸收滤光片的局部区域,使其光学特性发生了改变。 这些变化往往造成基片的折射率变化,形成的透镜可能使光束聚焦或扩束。 较低功率下,可以在可辨别的时间内观察到这种现象,因此称为“热晕”。 但它也可能几乎在瞬间发生,给人稳定和精确测量的假象。

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测量激光是一个艰巨的任务,特别是功率或能量水平越来越高时,更是如此。 许多应用都要求获得激光光束大小的精确信息,但这些激光器可能会损坏轮廓分析仪。 基于狭缝的轮廓分析仪,比如 Photon NanoScan 非常适合用于测量高功率激光器,因为它可以接受相对高功率的光束直接作用而无衰减。 当然这也有限制。 确定这些限制是件复杂的事情,尤其是当激光以脉冲模式操作时,因为功率和能量两方面都可以造成损伤阈值。

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设备对准

如果被测设备不是位于入口光圈的中心,或如果未与仪器对准,执行单轴或垂直轴扫描可得到误导性的结果。 有些用户认为是通过设备的光学质量中心轴测量的,但可能并非如此。 只有当仪器的光轴和设备的光学质量中心轴重合时才是这种情况。

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附图(下页)是两个仪器对在相同条件下工作的同一个二极管所得到的结果。 第一个仪器是我们的客户自己设计和制作测角计,用于客户内部测试,他们认为非常准确。 第二个仪器是 Phonton 的型号 LD 8900 测角辐射计。

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使用 NanoScan 和标准光学附件,可以测量透镜、透镜组件、光学子系统验收测试、最终系统性能以及完整系统测量。 NanoScan 专门用于快速、准确地评估空间成像的实时测量。 这需要通过评估空间轮廓的能量分布和测量光束的大小而实现。

当有最大量的能量集中在一个最小光斑尺寸内时,即认为是焦点成像。 尽管有许多评估光学子组件的技术,如刀刃法、伦奇刻线法和干涉仪法,但这些往往既耗时且昂贵。 NanoScan 经过精心的工程设计,使非光学工程师或技术人员可以几乎不经过培训就能发挥其最大潜力。

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简介
测角辐射计型号 LD 8900 和 LD 8900R 使用户能够对范围广泛的发光源的角辐射强度进行特征测量,包括 VCSEL、激光二极管、光纤和光波导。 为了获得精确的特征测量,光源的定位必须既可测量又具有可重复性。 本应用备注建议了如何使 LD 8900 和 LD 8900R 适应光源位置便于测量。

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Photon 具有从简单的手工处理到全自动化的专用仪器的多种M²测量解决方案。 按照激光器和激光系统的M²测量频率需要,Photon都有对应的系统能够满足大多数需要,无论是研究和开发新的激光系统、生产质量保证还是现有系统的维护和保养。

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使用 NanoScan/BeamScan 可以快速、轻松地对激光二极管、光学元件和/或其他源的散光进行测量。 例如,只需将激光二极管的光束聚焦到分析仪,测量主焦点和次焦点之间的距离,即可很容易地得到是否存在光源散光的指示。 但由于此距离是以10微米(μm)为序的,可使用纵向放大来适应此测量并减少潜在错误。 该方法已成功用于多种激光二极管散光测量。
激光二极管的光束应使用很短焦距的透镜来校正,以减少不需要的光束截断效应。 然后应该用一个很长的透镜来聚焦光束。 这将提供一个较长的焦深,从而将主焦点到次焦点的距离增加到毫米范围——这在大多数实验室X-Y-Z阶段的范围之内。 图1描述了基本实验装置。

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激光最有用的特性之一是能够以很长一条直线进行传播,许多光学系统也是利用这个特性。 因此,激光光束轮廓分析仪通常用于验证激光器和光学系统的性能,以避免由于不能对准带来的问题,或简化这些设备的制造工艺。 在许多激光应用中,如从激光范围探测到光学扫描、激光打标到制造激光打印机,往往只是一个简单测量:激光光斑聚焦或瞄准的空间位置。 激光光束轮廓分析仪能够告诉光束在探测器上的位置,不同类型的轮廓分析仪在完成这个事情时的精确度也有所差异。 大多数时候,是将光束轮廓分析仪放在离激光光源一定距离的地方,调整光束对准,直到它指向理想目标。 激光扫描应用中,可能要对整个扫描平面的不同位置进行测量,以确保扫描保持适当的线性。 但除此之外还有更多的测量和,以及对激光性能更多了解。

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虽然 NanoScan 原本设计是用来测量连续波长(CW)激光束,许多激光器在脉冲模式下操作。 测量这些脉冲光束一般需要使用 CCD 阵列轮廓分析仪。。 这对在紫外线和可见光波长范围内的低功率激光器而言是合理的解决方案,但都需要外部衰减。 一旦在紫外-可见光范围之外,阵列摄像机就变得非常昂贵。 尽管低频脉冲激光器在1Hz到1000Hz范围内操作时没有真正可替代数阵列轮廓仪的仪器,NanoScan 可以测量kHZ频率的激光。 NanoScan 轮廓仪集成了“峰值连接”算法和在所有扫描头的软件控制式可变扫描速度,使得能够对此类脉冲激光进行测量。 NanoScan 对测量 Q 开关激光和用脉宽调制(PWM)控制器操作的激光而言,是理想的选择。 过去几年,脉冲持续时间在皮秒和飞秒脉的激光器已开始用于许多应用。 尽管这些激光对测量技术有更复杂的要求,NanoScan 也是非常适合测量它们的。 我们将讨论下面所有这些类型的脉冲激光器的测量。

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用非涂黑的发射孔径(缝隙或针孔)的 NanoScan 来对连贯的激光光束 进行测量,可能在光束 踪迹上观察到干扰。 (见图1b)。

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NanoScan 应用是通常的流程,它们所解决的问题也是其中一个流程,比如对准、准直,或需要很长时间进行的精确对焦过程,但不太准确,或要求太多的高水平干涉来完成通过使用其他方法完成的事项。

许多激光应用要求对激光光束进行调整以满足一些参数,如工作点的光束大小、在一个操作范围内维持准直光束,或精确地将光束对准目标。 Photon 的 NanoScan 使得这些调整变得快速、轻松。 其动态范围使得对衰减进行变化就能测量聚焦和非聚焦的光束,在调焦过程中给出即时反馈。

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测角辐射计对脉冲源的操作

Photon 发现用测角辐射计测量脉冲源并非易事。 虽然脉冲操作可行,但有些参数组合可能导致不准确的测量。 由于系统中的前置放大器的自动量程功能,某些频率、脉冲宽度、负荷循环和功率水平还可以良好工作,但几乎没有差异的其他方面将产生错误的结果。 InGaAs和硅探测器系统的反应和和操作空间均不同,但它们都可以在一定条件下产生错误的结果。

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