光束質(zhì)量分析在激光應(yīng)用中的重要性

　　在醫(yī)學(xué)、工業(yè)生產(chǎn)、激光打印、激光打標(biāo)、激光焊接、激光切割以及光纖通信等許多激光應(yīng)用領(lǐng)域，光束輪廓為激光器的最有效使用提供了有價(jià)值信息。盡管光束輪廓在學(xué)校的光學(xué)理論課程中很少出現(xiàn)，但在實(shí)際測量中的應(yīng)用卻非常普遍。光束輪廓顯示了光束的所有特征，描述了光束的傳播特性、光束質(zhì)量和光束用途。另外，還能得出修正和整形后的輸出效率。光束輪廓同時(shí)還用于激光打印機(jī)和光纖瞄準(zhǔn)系統(tǒng)。如果光束輪廓未知，很難甚至不可能將激光進(jìn)行利用。

什么是光束輪廓？

　　空間特性描述了光束的波前輻射能量分布。輻射通過光束運(yùn)行路線上橫截面內(nèi)的點(diǎn)的相對(duì)強(qiáng)度圖來顯示。光強(qiáng)的最基本測量用光束寬度或光束直徑這單一的數(shù)值來定義。由于光斑沒有明顯的物理邊緣，挑選出的“有用”能量百分比處兩點(diǎn)間的距離被作為光束寬度。當(dāng)光束為高斯光束或近似高斯光束時(shí)，測量的公值就是1/e2 直徑。這個(gè)點(diǎn)包含能量分布的4-sigma，光功率是峰值功率的13.5%。另一個(gè)常用值是半高全寬（FWHM），此處光能下降到最大值的一半。對(duì)于光束直徑的測量，使用兩種方法中任意一個(gè)就可以確定光束空間發(fā)光的各種重要特征。

圖１ 高斯光束中FWHM 值和1/e2 值的圖形表示

　　根據(jù)波前傳播理論，光束的發(fā)散是由于在傳播過程中光束直徑的增加引起的。光束發(fā)散的比例由角度值θ 來表示。光束寬度最小處的尺寸稱為束腰。測量光傳播方向（也就是Z軸）上不同點(diǎn)的光束直徑，就能確定光束的發(fā)散角和束腰特性。光束分析儀正是沿著Z 軸對(duì)光束尺寸進(jìn)行取樣，以確定光束的空間特性。光束輪廓的最終結(jié)果是生成光束能量分布圖。測量方法有模杯、熒光粉、紅外卡、 樹脂玻璃片、燒白紙和膠片。因?yàn)檫@些粗糙的方法都不能提供數(shù)值，因而需要對(duì)圖像進(jìn)行主觀上的評(píng)價(jià)。測量激光束更精確的設(shè)備是孔徑掃描和CCD 陣列相機(jī)。首選這些傳感器是因?yàn)樗鼈兡芴峁┱鎸?shí)的數(shù)值輸出，很容易精確量化光束特性。正如WilliamThomson, Lord Kelvin所說： “…當(dāng)你能測量你談到的東西，并能用數(shù)字描述的時(shí)候，你對(duì)它就有所了解；但當(dāng)你不能測量、也不能用數(shù)字描述的時(shí)候，你的知識(shí)還很缺乏，不能令人滿意”

為什么光束輪廓如此重要？

　　任何優(yōu)秀的設(shè)計(jì)都是基于測試實(shí)際性能而不是依靠理論來假設(shè)。幾乎所有的光學(xué)系統(tǒng)使用的光學(xué)元件會(huì)改變光源（激光，LED 或相干光）輸出的路徑或能量分配。為了選擇必要的光學(xué)元件，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者必須要了解光的初始分布。系統(tǒng)制造商必須知道他們的元件是否能達(dá)到預(yù)期的效果。他們還需要對(duì)光束的性能進(jìn)行實(shí)時(shí)的反饋以便及時(shí)做出調(diào)整。最終用戶需要一個(gè)簡單的方法來確認(rèn)他們提供的系統(tǒng)能提供想要的合格性能。光學(xué)設(shè)計(jì)工程師面對(duì)的是有大量變數(shù)工作的挑戰(zhàn)。實(shí)際上光束空間分布是驅(qū)動(dòng)電流、光源溫度、內(nèi)部孔徑或反射鏡設(shè)置共同作用的結(jié)果，可以改變。知道束腰尺寸和實(shí)際發(fā)散角θ ，設(shè)計(jì)者就能通過下述公式得出任何沿Z 軸傳播光束的光斑直徑：

　　將上述結(jié)果和薄透鏡公式或光線軌跡方程相結(jié)合，就可以對(duì)高斯光束或混合模式光束進(jìn)行建模。這將節(jié)省設(shè)計(jì)周期，節(jié)約時(shí)間和費(fèi)用。從非數(shù)值采樣方法得到的分析結(jié)果會(huì)對(duì)激光束得出許多不同結(jié)論，但通過光束輪廓可以得出光束直徑的數(shù)值采樣。光束的XY 掃描或二維陣列圖像可以提供量化的光斑形狀以及橢圓率。新型分析儀還可以提供光斑位置的精確測量，以及由此造成的光學(xué)系統(tǒng)中的指示誤差。另外，分析儀提供快速、實(shí)時(shí)的反饋來協(xié)助調(diào)整光學(xué)系統(tǒng)。光束被聚焦直到分析儀得出精確調(diào)整結(jié)果的圖像。把光束分析儀裝配在多軸精密工作臺(tái)上可以進(jìn)行光學(xué)元件的自動(dòng)化精密裝配。

光束分析儀的應(yīng)用領(lǐng)域

1、激光制造工業(yè)

　　光束分析儀在傳統(tǒng)激光制造業(yè)中已經(jīng)有了一套技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。均勻激光束的品質(zhì)由下述參數(shù)定義：衍射極限倍數(shù)因子M²，或它的倒數(shù)k 因子。由束腰直徑d_σ0 及遠(yuǎn)場發(fā)散角θ 得出：

　　k 為光束傳播因子，

　　M² 為衍射極限倍數(shù)因子，

　　n 為折射率。

　　M² 或k 因子給出了激光光束聚焦程度的理論測量方法。這對(duì)評(píng)價(jià)不同應(yīng)用領(lǐng)域的光束好壞非常重要。M² 或k =1 描述了理想衍射極限光束。換句話說，它直接與波長和透鏡系統(tǒng)的衍射極限相關(guān)，和激光本身沒有任何關(guān)系。

　　激光二極管和VCSELs 都是半導(dǎo)體激光器，有著比近軸光束更大的發(fā)散角。從典型的激光腔中檢測這類激光很不容易。通常重要參數(shù)包括：功率輸入-光強(qiáng)輸出曲線-稱為LI 或LIV 曲線、光束的光譜以及發(fā)散角。由于半導(dǎo)體激光器的發(fā)散角較大，需要用透鏡聚焦得到可用光束。光束形狀和發(fā)散特性可以得出光學(xué)設(shè)計(jì)中設(shè)備的工作情況。LI 曲線可以提供激光器的輸出效率，并能探測到二極管生產(chǎn)工藝中的任何瑕疵。和從激光介質(zhì)發(fā)射光的腔激光器不同，二極管激光器的波長由晶格的物理結(jié)構(gòu)以及它怎么構(gòu)成激光腔決定，因此，二極管激光器系統(tǒng)不僅需要測量LI 曲線和發(fā)散角輪廓，還需要進(jìn)行光譜測試。

2、醫(yī)學(xué)/生物技術(shù)應(yīng)用

　　在醫(yī)學(xué)和生物技術(shù)行業(yè)激光的應(yīng)用非常廣泛，范圍從光手術(shù)刀或讀取DNA芯片遺傳密碼的掃描儀。所有這些應(yīng)用都需要對(duì)激光光束進(jìn)行整形和調(diào)整。光束分析儀直接檢測光束成形，觀測光束能否達(dá)到期望值，如果不能，就需要進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。FDA和國家衛(wèi)生管理機(jī)構(gòu)對(duì)醫(yī)療器械的測試有嚴(yán)格的要求。符合“生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范”（GMP）和“非臨床研究質(zhì)量管理規(guī)范”（GLP）是最根本的要求。為保證醫(yī)療設(shè)備的性能，這兩個(gè)規(guī)范都要求進(jìn)行可重復(fù)和可追蹤的測試。不管是在Lasik眼科手術(shù)，腹腔鏡手術(shù)中的光手術(shù)刀還是其他病人護(hù)理中的激光器應(yīng)用，可追蹤、可校準(zhǔn)的光束分析儀對(duì)維護(hù)和校準(zhǔn)這些醫(yī)療激光系統(tǒng)都是非常必要的。激光在生物技術(shù)中的應(yīng)用主要是基因組和蛋白質(zhì)組“芯片實(shí)驗(yàn)室”探測器的掃描。這種系統(tǒng)使用激光光束識(shí)別（或“讀取”）DNA 和RNA 序列的積木式“字母”或蛋白質(zhì)的氨基酸成分。光斑質(zhì)量越好，采樣就越小。光束分析儀可以幫助對(duì)這一類掃描儀進(jìn)行最后的微調(diào)。

3、制圖和印刷工業(yè)

　　激光印刷工業(yè)最早利用光束分析儀來設(shè)計(jì)和制造激光打印機(jī)的核心部分 — 激光掃描單元（LSU）。這需要了解系統(tǒng)的光斑尺寸、陣列以及光束擺動(dòng)對(duì)激光打印機(jī)的影響并做進(jìn)一步的改進(jìn)。激光打印機(jī)產(chǎn)業(yè)的市場競爭和價(jià)格競爭非常激烈，因此降低成本生產(chǎn)LSU 就顯得極為重要。盡管如此，每一個(gè)LSU 都必須進(jìn)行調(diào)整和測試以確保正確運(yùn)行。常規(guī)的LSU 的測試時(shí)間大約需要20 分鐘，一種新的儀器測量技術(shù)可以把測試時(shí)間減少到幾秒。LSU 的生產(chǎn)能力由此增加了十倍以上，因此測試成本得到顯著降低。

4、條形碼掃描和光存儲(chǔ)

　　條形碼掃描和光存儲(chǔ)技術(shù)利用激光光束讀寫信息。和生物掃描技術(shù)及激光打印一樣，光束越小，讀寫信息越精確。然而，條形碼讀取器需要的操作范圍非常長，允許掃描儀工作在大于工作距離的范圍。光束的光腰范圍稱為瑞利范圍。定義為光束直徑的D₀,這里D₀稱為光腰，或稱為光束最小直徑。光束分析儀可以直接測量和調(diào)整光束達(dá)到長瑞利范圍已達(dá)到掃描儀的良好性能。另一方面，對(duì)于光存儲(chǔ)，光束通常被優(yōu)化為一個(gè)非常小的光斑。由于光斑直徑和瑞利范圍成反比，所以光存儲(chǔ)激光器光束的焦點(diǎn)就非常關(guān)鍵。下式從數(shù)學(xué)上給以表示：

　　由于對(duì)于任何給定的波長，對(duì)于較小光斑的情況，發(fā)散角必須足夠大；對(duì)于發(fā)散角較?。ū热玳L瑞利范圍、準(zhǔn)直光束）的情況，光腰值必須大。

5、焊接和切割工業(yè)

　　由于激光能在工件上發(fā)射精確的功率密度，大多數(shù)高功率焊接和切割激光器都利用了激光的這種精密性。為了保證使用過程中精度的持續(xù)性，監(jiān)控激光的性能非常重要。現(xiàn)在通常所采用的處理方法是檢測瑕疵處，或者監(jiān)控未聚焦光束和推斷聚焦光束的性能。但這兩種方法都不是最佳的解決方法。首先，為了了解激光是否正常工作，需要浪費(fèi)材料和時(shí)間制造一個(gè)缺陷，有時(shí)缺陷還很難被探測到，只有在激光加工過程中才能被探測出來，這樣就產(chǎn)生了額外費(fèi)用，增加了廢棄和重做的可能。監(jiān)控最初的激光束的缺點(diǎn)是只檢測了激光器，而不是實(shí)際的光學(xué)系統(tǒng)，它不能告訴您下一步怎么處理半成品。通過設(shè)計(jì)合理的狹縫掃描光束分析儀，比如Photon 公司的高功率NanoScan 光束質(zhì)量分析儀，就可以測量光束在真實(shí)情況下的工作狀態(tài)。它可以精確的測量在工作臺(tái)上的光束直徑、形狀以及功率分布。提供光束直徑的數(shù)值、橢圓率、以及光斑質(zhì)心的位置。對(duì)激光器、聚焦系統(tǒng)和發(fā)散系統(tǒng)所出現(xiàn)的問題都可以提前進(jìn)行警告。

什么是光束質(zhì)量分析儀，它是如何工作的？

1、高斯光束質(zhì)量分析

　　標(biāo)準(zhǔn)的光束質(zhì)量分析儀是一個(gè)成像探測器設(shè)備，可以由光闌、刀口、狹縫、或二維陣列-如CCD（電耦合設(shè)備）相機(jī)制成。光束在分析儀處聚焦并進(jìn)行測量。我們討論的目的是介紹狹縫掃描分析儀測量高斯近軸光束。狹縫法與光闌法、刀口法及相機(jī)法相比存在很多優(yōu)勢。

2、為什么使用狹縫？

　　狹縫掃描形成一個(gè)天然的衰減器，可以不外加衰減就直接測量高功率的光束。CCD 相機(jī)陣列只能直接探測幾個(gè)皮瓦的功率。使用雙狹縫可以同時(shí)測量x 軸和y軸光束的坐標(biāo)。如果光束分析儀的狹縫通過長軸和短軸，光束的橢圓率就能被精確的測量。XY 正交掃描原理就是Photon 公司的BeamScan 和NanoScan 設(shè)備的基礎(chǔ)。狹縫法相對(duì)刀口法有兩重優(yōu)勢：首先，由于刀口只能從一邊切割光束，而不是衰減光束，就需要附加衰減器防止探測器出現(xiàn)飽和。第二，為了觀察道刀口邊緣的光束輪廓軌跡必須被區(qū)分，這時(shí)包含在光束中的噪聲被放大。為獲得一個(gè)明顯的平滑輪廓，噪聲必須被過濾掉。雖然這時(shí)的光束比實(shí)際看上去要好，但是濾波會(huì)濾掉光束結(jié)構(gòu)的一些重要信息。光闌也可以衰減光束，但是為獲得好的光束輪廓的對(duì)準(zhǔn)卻很難。光闌法只是在邊緣上能提供比狹縫法更好的空間特性，它必須被準(zhǔn)直以通過光束的最大弦。這很難做到，尤其對(duì)于聚焦光束。光束寬度由測出的最大光束能量值的分布圖上相應(yīng)兩點(diǎn)間的距離決定。通過設(shè)置需要的（通常是1/e2 或13.5%），狹縫掃描儀直接得出光束寬度。使用XY 掃描頭，狹縫法測量光束在x 軸和y 軸的直徑。電腦程序通過數(shù)據(jù)就可以得出虛擬的光束三維圖像。

3、為什么還要使用CCD 相機(jī)？

　　對(duì)低頻脈沖光束，必須使用二維陣列掃描光束。對(duì)單觸發(fā)光，持續(xù)時(shí)間極短，無法使用狹縫掃描法測量。CCD 相機(jī)可以同步的“捕捉”光脈沖。得出光束真實(shí)的二維圖像。CCD 相機(jī)法的缺點(diǎn)是很小的光功率直接打到CCD 上就會(huì)飽和，這就需要使用外置衰減器來控制光的總功率。另外，像素陣列大小決定測量的精度。最好的CCD 相機(jī)的像素直徑只有5-10um。對(duì)于非常小的光束直徑，可能無法精密探測?；贑CD 的分析儀對(duì)于那些直徑大于100um 的光斑非常適用。盡管硅探測器CCD 相機(jī)很便宜，但它的光譜響應(yīng)被限制在可見光區(qū)域。對(duì)于在1300-1700nm 的“通信”波段，需要使用InGaAs 探測器，它的價(jià)格比較昂貴，而且像素尺寸較大（30um）限制了空間分辨率。更長波長則需要使用更貴的儀器來測量。

圖3 Photon 產(chǎn)品BeamPro 所測的典型二維光斑

　　對(duì)于kHz 以上頻率的脈沖光，可以用狹縫分析儀測量光束寬度等數(shù)據(jù)。許多CO2 激光器使用脈寬調(diào)制（PWM）來控制激光器的功率水平。使用脈沖工作來減少占空比和降低平均光功率。光束在近似連續(xù)光的條件下運(yùn)行時(shí)，許多操作人員都沒有意識(shí)到它是脈沖光。這種情況下測量時(shí)，狹縫分析儀必須有脈沖操作模式，而且脈沖頻率必須至少幾千赫茲；頻率和光束尺寸結(jié)合必須提供充足的脈沖光通過分析儀才能生成需要的光束輪廓，最少需要8 到10 個(gè)脈沖。PWM激光器需要在大概10kHz 的條件下使用。光束尺寸和頻率的關(guān)系是一個(gè)很簡單的數(shù)學(xué)模型。由于脈沖光需要光腔運(yùn)行在最低速度（如Photon 公司的NanoScan 在1.25Hz）。這時(shí)狹縫運(yùn)轉(zhuǎn)速度是在每秒115mm 以下，或者每兆秒115um。這意味著每個(gè)狹縫將用1.7 毫秒通過200um 光束，5kHz 的激光器在這個(gè)時(shí)間內(nèi)可以產(chǎn)生8 個(gè)脈沖，因此可以提供足夠的數(shù)據(jù)產(chǎn)生光束輪廓。更小的光束需要更快的脈沖頻率，大光束則可以在低頻下運(yùn)行。脈沖頻率大于500kHz 的光就可以當(dāng)成連續(xù)光來分析。狹縫掃描光束分析儀配的熱釋電探測器可以探測從紫外到超過20um 的遠(yuǎn)紅外的整個(gè)光譜范圍，獲得一個(gè)通用的光束輪廓。