激光光束測量中熱透鏡效應(yīng)產(chǎn)生的誤差

　　目前對功率在10mW～1W的激光器的光束測量變得越來越普遍。許多這種激光器的波長都在可見光范圍內(nèi)，用CCD 和CMOS相機(jī)陣列就可以測量。用相機(jī)陣列測量激光器時，需要對光束進(jìn)行衰減，但是有一些事項要注意。雖然光強(qiáng)還不足以損壞典型的吸收濾光器，但實際的操作中經(jīng)常會通過增加衰減片把1W功率的激光器降到不會使探測器飽和的pW量級，不幸的是這種操作極有可能導(dǎo)致錯誤的測量結(jié)果，這是由一種叫做熱透鏡效應(yīng)或熱暈效應(yīng)的現(xiàn)象引起的。激光器的能量加熱吸收濾光器的局部并改變它的光學(xué)特性，這些變化經(jīng)常會導(dǎo)致底層材料折射率的改變，從而形成一個讓光束或聚焦或發(fā)散的透鏡。功率較低時，可以在一段時間內(nèi)觀察到這個現(xiàn)象。但是，這個現(xiàn)象也可能在瞬間發(fā)生，同時給出穩(wěn)定、精確的測量結(jié)果假象。

　　當(dāng)每毫米直徑的光束功率在100mW附近時，安全精確使用吸收濾光器的經(jīng)驗方法是功率密度大概等于12.7W/cm2。由于功率密度隨著光束尺寸的減少而增加，這意味著100μm的光束在功率為1mW時就可以發(fā)生這種效應(yīng)。當(dāng)然實際上它與波長有關(guān)并會隨之而改變。但是可以肯定的是：用相機(jī)陣列進(jìn)行精確測量時需要適當(dāng)?shù)乃p。

   那么什么是適當(dāng)?shù)乃p？答案是組合使用反射和吸收濾光器來減少到相機(jī)陣列的功率。如果功率密度有可能超過熱透鏡效應(yīng)的限制時，第一步就應(yīng)該用某些類型的反射鏡（平面反射鏡、棱鏡或前表面反射鏡）進(jìn)行衰減。如果偏振很重要，為了維持激光器的偏振特性，應(yīng)該成對使用這些反射鏡。下面我們將介紹單獨使用吸收濾光器，組合使用反射和吸收濾光器以及采用狹縫掃描技術(shù)（無需衰減即可直接進(jìn)行測量）這幾種情況下，對300-500mW激光器的測量結(jié)果，單獨使用吸收濾光器時產(chǎn)生的誤差很大，光束尺寸被低估了40%。

實驗方案

   用三種方法測量標(biāo)稱功率為500mW 的Coherent DPSS 532激光器（532nm）的未聚焦光束。

方法1

　　使用Photon的USBeamPro CMOS陣列光束分析儀在離激光器出口30cm的位置對光束進(jìn)行測量，衰減器全部為吸收濾光器，由OD=2.8的灰玻璃濾光器和OD 1.7～4.6的ATP-K連續(xù)可變楔形衰減器組成。

方法2

　　首先用前表面反射鏡進(jìn)行衰減，然后再用ATP-K衰減。其它和方法1相同。

方法3

　　用Photon的狹縫掃描NanoScan光束分析儀在同一個位置進(jìn)行測量，激光器不需要衰減。

　　因為我們希望在最初的實驗方案（方法1）中看到熱效應(yīng)，所以我們用時間統(tǒng)計表來觀察激光器的測量結(jié)果。為了看到任意一種效應(yīng)并消除激光器本身帶來的影響，我們首先打開相機(jī)，然后再把激光器的光束打上去。這樣我們會看到光斑尺寸的瞬間峰值大概是700um，幾毫秒內(nèi)就固定在500μm (1/e2)附近。每次測量時雖然最初的峰值會稍有不同，但是我們都會看到類型的現(xiàn)象。

表一 僅使用吸收式衰減器時光束測量的時間統(tǒng)計表，顯示了從初始峰值到低位值的光斑尺寸，不使用時間統(tǒng)計表時光斑尺寸的測量值會穩(wěn)定在430-520μm。

表二 僅使用吸收式衰減器時USBeamPro對光斑尺寸的測量數(shù)據(jù)，當(dāng)使用前表面反射式衰減器進(jìn)行相同的實驗時，看不到峰值效應(yīng)而且光斑尺寸的測量結(jié)果大約為850μm。

表三 使用4%前表面反射鏡和ATP-K衰減器時USBeamPro對光斑尺寸的測量數(shù)據(jù)，用NanoScan測量光斑尺寸的結(jié)果大約為850μm。

表四 使用NanoScan分析儀時對光斑尺寸的測量數(shù)據(jù)。

　　用NanoScan和采用適當(dāng)衰減的USBeamPro測量同一光束時的測量結(jié)果是一致的，而產(chǎn)生熱透鏡效應(yīng)時的測量結(jié)果比正常值降低了40%，這表明在第一種衰減方案中產(chǎn)生了快速的透鏡效應(yīng)。由于效應(yīng)很快，測量中完全有可能產(chǎn)生一個不易覺察的誤差。測量中并沒有出現(xiàn)預(yù)期的熱暈效應(yīng)，而是迅速的達(dá)到一種平衡效果，此次使用的激光器的功率密度大約為80W/cm2，通過前表面反射鏡后進(jìn)入ATP-K衰減器的功率密度為3.2W/cm2，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于12.7 W/cm2的熱透鏡效應(yīng)理論界限。通過對這種配置和NanoScan的測量結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)：一旦功率水平降到臨界極限以下，熱透鏡效應(yīng)就不會發(fā)生。

結(jié)論

　　盡管組合使用足夠的光密度衰減器可以把激光功率降低到不足以使相機(jī)飽和的功率水平，但是測量結(jié)果很重要時，仍需要小心正確的進(jìn)行操作。不要以為沒有看到熱效應(yīng)現(xiàn)象就認(rèn)為它沒有發(fā)生。 基于狹縫掃描的NanoScan光束分析儀的優(yōu)勢之一就是不需要衰減，因此每次都能得到精確的測量結(jié)果。使用相機(jī)也可能得到類似的結(jié)果，但是必須要好好設(shè)計衰減方案。如果懷疑有可能產(chǎn)生熱透鏡效應(yīng)，那么最安全的方法就是使用反射式衰減器來降低功率。