白皮书
作者:Ophir Photonics 集团(美国)公司营销总监 Allen Cary

使用激光器的用户利用激光光束来执行工作,他们可能会使用原始光束,但更多时候,使用的是经过光学仪器处理的光束。无论是在零件上打印标签、焊接高精度接头,还是修复视网膜,了解激光光束的特性及其性能非常重要。激光光束特性测量仪器可提供相关工具,使我们能准确获知某个作业点处激光光束的工作状态,以及光学设备是否达到所需的效果。

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作者:Ophir-Spiricon 有限责任公司中西部销售工程师 John McCauley

我们首先通过 10kW 传感器和连接到本地 PC 上的 Juno USB 接口 来获取功率读数。这个传感器的热电堆元件上有损坏点,因此我不确定它给出的读数是否正确。不过,下面列出的是记录的功率读数:

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

某个制造商应客户要求,生产高容量的成形设备,该设备的中心位置有一个 <100um 的孔,在最终组装时,需要使一定量的材料穿过这个孔。该产品在完全组装好前无法进行测试,如发现设备的孔洞尺寸不正确,必须拒绝使用,重新返工,这样就会降低生产效率。如果能够在设备最终组装前对其进行检查,将合格设备与不合格设备区分开来,就能大量节省成本。

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作者:Ophir-Spiricon 营销总监 Allen Cary

1780 ModeScan 可实时确定激光的 M2 和其他光束质量参数。对于此类激光测量,传统方式是:使激光光束穿过透镜,沿光束路径移动光束分析仪系统或内镜,测量穿过透镜后的光束腰的焦散性。在每个分析仪或内镜位置获取光束尺寸测量值。使用这种方式,通常可在 30 秒到几分钟内生成结果。此外,这种方式还需要在 M2 激光测量系统内移动相关部件,长时间使用就会带来磨损。

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作者:Ophir-Spiricon 有限公司美国中大西洋及东南地区销售经理 Dick Rieley

在安装新的激光加工设备时,有必要测试和验证激光系统的性能,以确保其符合系统规格。要确保设备正常运行,仅看设备发货前的激光测试结果是不够的,设备的运输、搬运和重新安装等环节都有可能影响到设备的最终性能。为此,一旦设备安装投产,就有必要对设备进行测试,这一步非常关键,可以让用户有信心认为,所使用的设备达到或超出了性能规格。

在安装通过光纤输送的激光系统时,检查所输送的光束的质量非常重要。光束质量可在耦合器位置进行检查,并通过光学系统进行验证。但是只有在最终光束输送到加工面后,才能检测和验证这些变化因素的共同作用效果。

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作者:Ophir Photonics 集团西南地区销售工程师 Dan Ford

在本应用中,我们的客户制造的编码器中内置了集成准直透镜的 LED(发光二极管)。LED 发出光束波长在 850nm 至 880nm 之间,功率为 2mW 到 15mW,光束尺寸在 ¼ 英寸到 ½ 英寸范围内。到现在为止,该客户一直使用激光功率计来验证输出功率(瓦特数)他们将光束投射在方格纸上,通过目视观察来检验光束的尺寸。

在这个应用中,将设计一个低成本的检查工艺,详细获取和记录多组入射 LED 的相关数据,以检验光束质量。

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作者:Ophir-Spiricon 销售工程师 Chuck Reagan

今天的飞机制造材料远非早期的飞行先驱所能想象得到。这些新材料的检查和维修过程非常复杂。老式的检查技术通常无法测试和检验一些复合结构的完好性。因此,航空公司、飞机制造商和相关政府机构一直在努力寻找可接受的技术,用于检查新一代的飞机,确保达到全球各个国家的乘客和货物航空运输安全要求。

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作者:Ophir-Spiricon 有限责任公司技术总监 Jeffrey L. Guttman 博士

T此应用说明意在提供有关测量定制光纤发散角度的指导说明。这也适用于激光二极管或 LED 等其他发散光源。此类光源的发散性可使用 测角辐射计NanoScan 系列产品进行测量。测量的精度和细节取决于光源的发散性和所用的仪器。

一般而言,测角辐射计的测量最精确,可通过恒定半径下的有效角度扫描,直接提供 角度 轮廓图;LD 8900 和 LD 8900R 的角度扫描范围可达到 ±72°,LD 8900HDR 可达到 ±90°。测角辐射计还能通过 3D 球面针孔扫描来检测辐射模式。

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作者:Ophir-Spiricon 有限公司中大西洋地区销售经理 Dick Rieley

太阳能电池制造业存在的竞争性,很大程度上是高速自动化无缺陷方法推动的结果。为此,业内使用 YAG 激光对太阳能板进行精确的激光划线。制作电池板时,在各层光伏材料层压到玻璃上后,使用激光来刻划一系列线槽,最终形成一个个可产生电压的电池板块。

生产过程中必须对激光的质量、形状、尺寸和强度密切监控,以生产出符合产品规格和成本要求的太阳能电池。使用激光划线时,必须对两个变量进行监控,这两个变量分别是激光的强度/能量以及激光光束的尺寸和形状。

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作者:Ophir Photonics 集团中西部地区销售工程师 John McCauley

美国作家、工程师、企业家兼性能改进顾问 H. James Harrington 曾经说过: “要操控任何东西,乃至最终加以改进,首先都要对其进行衡量。如果不能衡量一个东西,你就没法去了解。不了解,就没法去控制。不能控制,就没法去改进。”

尽管 Harrington 谈到的是人员工作绩效方面的质量改进,但对于保持高质量的激光工艺,也同样适用这个道理。

激光测量通常包括使用功率或能量测量系统进行的定量测量,或使用光束轮廓分析系统进行的定性测量。光束轮廓分析过程简单说来就是,使用相机、扫描狭缝或其他装置来记录激光光束或光束采样的影像,将影像采集设备与 PC 连接,利用 PC 上的光束分析软件来分析影像。通过光束分析获得的数据可用于多个方面。

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作者:Ophir-Spiricon 有限责任公司营销总监 Allen Cary

高功率是一个相当模糊的术语,不同语境下有不同的含义。对于高功率的激光光束,使用发射材料进行处理,反射率取决于激光光线的波长。

定义“高功率”
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。

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作者:Ophir-Spiricon 有限责任公司中大西洋区销售经理 Dick Rieley

某太阳能板制造商的一个工厂每班次约加工 1,000 块太阳能板。每块太阳能板的尺寸约为 1.5 英尺 x 4 英尺,发电功率为 60W。该工厂每块太阳能板的生产成本是 2.00 美元,在业内居于成本最低行列。

工厂生产工艺中采用 532nm 和 1064nm 激光划片器,大部分是 30W 功率的系统。工艺生产中,同时利用这两种波长的激光在每块面板上划线。每块面板放置在水平的 X-Y 工作台上,在钢制的固定偏转装置下面来回移动,偏转装置上最少有四个激光光束同时划出四条分隔线。太阳能板上最后形成一个个电压条,每条约 1 英寸宽,长度和太阳能板相同。

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激光焊接系统

  • Nd:YAG 激光
  • 1064 nm
  • 300 mJ/脉冲
  • 1.5 ms 脉冲持续时间
  • 双脉冲激光焊接工艺,脉冲间隔为 0.2 秒
  • 焦点处标称光束尺寸 150-200 微米(第 2 瞬态)
  • 激光聚焦透镜的光束焦点约为 45 mm

Spiricon 光束分析仪

  • BeamGage Professional
  • SP620U 相机
  • LBS-300-NIR(输入端配备 -50 mm 焦距透镜)

结果 分析装置安放在垂直光束的大约位置,将 LBS-300 滑块设置在最大衰减位置。一观察到轮廓中出现模糊重影,就将光束衰减降低到可以使用 SP620 相机的动态范围。

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结果
文中列出了两张抓屏图片,来自最近使用 Ophir-Spiricon 的 ModeCheck 设备执行的测试。

下面的抓屏显示了 II-VI MP5 透镜与 Ophir 的 Black Magic 光学透镜的比较图。

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激光系统
光纤激光源

  • 1070nm
  • 600μm 光纤
  • CW
  • 1 KW ( 最高平均功率)

5 轴运动
1 类工作站
125mm 焦距透镜

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作者:Photon Inc. 的 Allen M. Cary、Jeffery L. Guttman 博士

介绍
10mW 到 1W 功率的激光的轮廓分析正变得越来越常见。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 pW 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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使激光二极管或光纤阵列的输出保持准直可能会相当困难。Photon NanoScan 基于狭缝扫描的光束分析仪的一个少为人知的特点是具备多光束分析功能。NanoScan 软件最多可对 16 个同时射入孔径的光束进行特征分析,使用户可对 NanoScan 捕获到的任何或所有光束上由软件自动确定或用户定义的研究区 (ROI) 内显示的各种标准光束参数进行检查和评估。这项独特的控制和选择功能为用户带来了灵活性,用户可以单独查看一条光束,也可以同时查看所有光束。屏幕上会显示多光束数据,在收集数据时,软件可将相邻光束部分的数据分离开来。

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激光系统

  • 光纤源:
  • 1070nm
  • 400 µm 光斑/光纤
  • CW
  • 4 kW( 最高平均功率)
  • Precitech 焊机头
  • 5 度角度
  • 300mm 焦距透镜
  • X、Y 和 Z 轴运动控制
  • 1 类开放工作站
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最近,光电行业一个发展动向是,自动化太阳能板的生产线在迅猛增加1。很多这类端到端生产线都使用激光技术来生产薄膜硅光伏模块。用于此类应用的激光器通常都是 1064nm、532nm 和 355nm 二极管泵浦固体激光器,光束聚焦范围大约在 30μm2。激光器运行时的功率或能量3尽管不是特别高,但由于光束直径较小,直径范围内的功率或能量密度非常高。目前采用的生产技术通常需要多个激光器并行工作,进行准确的划线,将光伏板从电路意义上分隔为不同的部分。为确保划线的一致性,就有必要测量光束轮廓。

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光学组件技术的小型化发展有很多推动因素。将光学组件集成到较小的封装内,有望减少尺寸限制、插入损耗以及制造成本。很多有眼光的业务计划都以这种集成技术为基础,因为这似乎更有发展前途,能够实现类似于半导体行业的高产量制造方法。不过,成功的道路上并不会一片坦途,需要越过很多技术藩篱。

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作者:Ophir Photonics 集团中西部地区销售工程师 John McCauley

今年是激光技术诞生 50 周年。激光已成为目前最有前景的技术之一,但仍有很长的路要走。随着激光技术的不断发展,激光应用正变得越来越复杂和“专业化”。在某些应用中,特别是工业激光工艺,技术日趋复杂,以至最终用户不论是工艺工程师、质量控制人员还是维护技师,都需要投入越来越多的时间来学习激光技术,以便能够真正理解激光的应用方式。提供激光光束表征产品的公司也在不断努力来开发这些技术,以继续提供实际应用中的最佳解决方案。

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作者:Laser Maintenance Group, Corp. 技术顾问 Todd Jacobson

如果您从事激光切割业务足够长的时间,您总会遇到这样的情况:无法怎么做都无法让激光干净利索地切割零件。操作员和维护人员对所有常见问题区域进行检查和验证,最终得出的结论是,所有部件看起来都正常,测量过程也正确。

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作者:Ophir‐Spiricon 有限责任公司中大西洋和东南地区销售经理 Dick Rieley

绿色运动鼓励使用太阳能电池这样的高效能源技术。太阳能电池技术的投资回报较慢,给推广带来阻力。而且,所用材料的效率也是一个问题。降低太阳能电池的制造成本,很大程度上取决于生产效率及所用光伏材料的类型。生产效率问题可通过近乎全自动化的高速生产工艺来解决,包括太阳能面板的移动搬运、材料层压,以及最终的包装等。不过,高成本效益的光伏材料,在使用上带来了两难问题。低成本的蒸镀材料效率较低,而高效率的材料成本又较高,而且可能形成联邦政府限制的致癌物质。

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作者:犹他州大学物理系 Stan Thomas,电子邮件 Thomas@physics.utah.edu

望远镜阵列项目 (http://www.telescopearray.org/) 是一项实验,用于研究犹他州德尔塔附近的超高能量宇宙射线。宇宙射线是接触外部大气层的超高能量粒子。最初的粒子进入大气层后会分解,最终产生数百万层叠状的子粒子落到地面上。

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最近,光电行业的一个发展动向是,自动化太阳能板的生产线在迅猛增加1。很多这类端到端生产线都使用激光技术来生产薄膜硅光伏模块。用于此类应用的激光器通常都是 1064nm、532nm 和 355nm 二极管泵浦固体激光器,光束聚焦范围大约在 30μm2。激光器运行时的功率或能量尽管不是特别高,但由于光束直径较小,直径范围内的功率或能量密度非常高。目前采用的生产技术通常需要多个激光器并行工作,进行准确的划线,将光伏板从电路意义上分隔为不同的部分。为确保划线的一致性,就有必要测量光束轮廓。

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作者:Dan Little,职业医学教育协会公司激光培训学院技术主管

全球医学行业中所使用的处理工具中有数以千计的激光器。从紫外线到远红外的波长被用于从眼部准分子激光原位角膜磨镶术手术到整容皮肤磨削术的各种医学手术。而可见波长被用于皮肤医学和眼科学,以确定选择性的互补颜色生色团。激光功率和能量需要通过范围广泛的光线直径、关节手臂、调焦机头、扫描器、显微操作器以及许许多多的东西来实现。由于存在这么多的变量,医学光学服务人员必需面对众多测量障碍。

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作者:Chuck Reagan,Ophir-Spiricon Inc. 公司东南部销售经理

如果贵公司的新激光器不能达到规格性能,而您的最大客户却已经花了几周时间等待交付?厂商是否派遣一位现场服务工程师反复检查问题所在?当厂家派来工程师调查之后,如果仍不能告诉您问题出在哪里,那将发生什么?如果激光器在数周之后仍然无法正常工作,您会要求全额退款吗?如果您已经在购买、安装、培训和人工费用上花费巨大,而且您原先认为购买的是市场上可以买到的最好产品?

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问题:如果贵公司的新激光器不能达到规格性能,而您的最大客户却已经花了几周时间等待交付?厂商是否派遣一位现场服务工程师反复检查问题所在?当厂家派来工程师调查之后,如果仍不能告诉您问题出在哪里,那将发生什么?如果激光器在数周之后仍然无法正常工作,您会要求全额退款吗?如果您已经在购买、安装、培训和人工费用上花费巨大,而且您原先认为购买的是市场上可以买到的最好产品?
确保输出的激光光束正是您所期待的。了解光束轮廓分析如何帮助您获得激光器的最佳性能。

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作者: Simon L. Engel,HDE Technologies, Inc.公司总裁及威斯康星大学一麦迪逊校区激光焊接认证项目技术总监

本文标题中的商业目标是所有类型的制造活动的普遍追求,激光辅助制造也不例外。最近几年市场上出现一组工具,允许工业激光的最终用户对激光工艺进行优化,同时保持对当前 ISO 和 AWS 技术标准的合规性。这将有助于厂商在美国和全球市场保持竞争力。

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作者:Larry Green Etienne Friedrich

欧洲和日本联合推行的EarthCARE(地球云层、浮质和辐射探索)计划,旨在进一步了解云层、辐射和浮质的相互作用过程,这种相互作用对气候调节有着一定的作用。CESI 的电光学部门主管 Enzo Nava报告说:“我们必须制造一种预开发型号,使大气激光雷达(ATLID)的激光发射器能够工作。在这个案例中,我们正在开发一款端面泵的 Nd:YAG MOPA 激光系统,其频率提高到三倍,可以在 355 nm 运行。

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产生丙烯酸模式烧蚀是一个耗费精力的过程,还会产生有毒烟雾,而且即使最理想情况下也只能得到比较近似的光束波形和尺寸。某些情况下,这些方法甚至不起成效,遗漏重要的光束细节。电子光束轮廓分析是一种简便而成本效率高的选择。本文展示了这两种工艺的不同之处。

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原因#1 为了省钱!

原因#2为了更精确、可靠的激光研究

原因#3为了更好的激光设计

那么为什么 Spiricon LBA-100A 可以取代其他产品?

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监控激光光束在工业中的应用

最近,Spiricon 的一位销售代表展示了 LBA-100A 高级激光光束分析仪在工业 YAG 激光上的应用。客户使用 10 台 YAG 激光进行激光切割和焊接。其中两台机器的切边质量变化很大,因此想要采用 LBA-100A 帮助他们量化光束质量。下面是展示报告:
“我们在焦点之后对光束进行测量,光束发散到大约光斑直径为 1/4 吋处。我们得到出色的结果。在一台有问题的激光器上,观察到了近似高斯分布,在一边有修剪蚀刻。尽管在红外观察镜下光束显得很均匀,并且烧蚀纸也显示了近似圆形的图形,但在 LBA-100A 下仍看出了明显的问题。在第二台激光器上,我们看到切割性能很好,非常有均匀性,近似高斯光束。”

 

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多数激光工程师和科学家对诸如光束宽度、位置、发散角、高斯拟合等激光光束特征参数非常熟悉。M2 能使用户对激光光束的聚焦特性进行量化评价。该测量给出了实际光束与理想的高斯单模光束的差距,非常容易用来预测光束聚焦焦斑的特性。

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随着激光应用越来越复杂,对激光光束质量的要求也大幅提高。传统测量激光光束强度轮廓的方法,如烧点、模式烧蚀、观察反射光束等,已不再适合当今激光应用中的激光质量要求。事实上,激光质量也越来越高。这在很大程度上是由于电子光束轮廓仪器的应用。这些仪器提供激光光束轮廓的实时观察,这就能对激光进行无限的优化。而且,电子激光光束轮廓仪给出了激光光束特性的更精确的量化。这些测量的精度使得科学家能够比以往更大范围内细致地调节激光特性。随着计算性能的提高,也产生了激光光束特性量化的新算法。除此之外,一些例子也给出了激光光束性能提高的实际情形。

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作者:T.Troy Stark,Ophir-Spiricon Inc.
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OLE,2006年10月

随着激光加工对光束质量的要求越来越高,激光加工的成本竞争力也受到考验。仅仅进行光束轮廓分析和将光束轮廓与高斯拟合相比较已经不再足够,因为它不能保证受衍射限制的光束。高斯拟合计算可能会让用户误以为有一种实际上并不存在的传播特性。因而,高斯拟合方法只能让用户陷入一种以为获得了好的激光性能的错觉之中。

哪种测量可以提供这种信息呢?答案是“光束传播因子”M2,该因子将实际光束的传播特性与纯 TEM00 模高斯光束的传播特性进行量化比较。

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