激光束发散度测量的快速指南

激光因其准直良好的单波长电磁光束而备受青睐。低发散度、单波长辐射和大范围的可用激光功率使它们成为工业和研究中最有价值的材料加工工具之一。

对于需要控制激光光斑尺寸的激光器制造商和用户来说,激光束发散度是一个需要了解的重要参数。从激光焊接应用到晶片切割或眼科手术,了解光束发散度是构建功能设置和将能量精确导向给定过程所需位置的必要条件。

本文介绍了关于激光束发散度测量的重要概念。理解它们将有助于您避免将精力浪费在不需要的地方!

首先,什么是激光束发散度?

对于圆形光束,发散度被定义为光束直径如何随着离激光孔径的距离而增加的角度度量。它的测量单位是毫弧度 (mrad) 或度 (°)。简单来说,它告诉您光束从光源到目标物是如何发散的。

激光束发散是因为它们需要一个无限薄而长的原子腔,沿着一个单一的方向发射光子共振,以获得无限远的准直光束。现实生活中并不是这样:例如,考虑到越来越多的工业应用,如焊接、切割或包覆,以及使用在光纤输出端具有大发散度的光纤激光器,我们不可避免地要处理发散的问题。

更准确地说,通过使用束腰的中部作为参考,发散度被定义为光束在远场中(即与光束焦点的距离大大高于瑞利长度)扩展的角度。

瑞利长度 Zr 是沿着传播轴从束腰到光束横截面面积加倍的地方的距离。

laser beam divergence measurement chart

图 1:x 和 y 方向的发散半角定义为 θ = Div/2。

激光束发散度测量完全取决于光束大小

根据设计,圆形激光束通常具有从光束中心到边缘的高斯形能量密度分布(或辐照度)。您知道,那条钟形曲线告诉您,大部分的光束能量位于光束的中心,沿着传播轴分布。

how to measure laser beam divergence

图 2:理论高斯光束截面。

正规的激光束轮廓照相机(例如 Beamage-4M)将提供符合 ISO 的光束尺寸测量,例如由能量分布中最大能量密度 Emax 点(位于光束中心)到能量密度等于 Emax / e2 点的距离定义的光束半径。

图 3:在真实光束上,在 Gentec-EO PC-Beamage 软件中对 x 和 y 进行高斯拟合的例子。X 和 Y 光束尺寸从该拟合中导出。

请您亲自看看!您可以免费下载并试用 PC-Beamage 软件以及可用的模拟光束。

激光束发散度公式

对于圆形高斯光束,发散度的最小可实现值由以下简单公式给出:

laser beam divergence formula

是激光波长和光束自然腰:即它沿 z 轴的最小尺寸。

当测量的发散度接近 θ0 时,高斯激光束被称为衍射受限。目标就是要实现最佳瞄准性能!

以下是如何轻松测量激光束发散度。

保持静止?

人们可能会认为,沿着激光的传播轴移动相机是测量发散度所必需的,但实际上并非如此!

我们都知道,要获得激光束的 M2 系数(也称为光束质量系数),必须同时测量发散度 θ 和束腰ω0, ,这需要沿 z 轴移动,以实际找到束腰并测量其大小。

无量纲的 M2 系数是激光束质量的一个指标,它量化了您的光束传播与相同波长的理论高斯光束传播的接近度。

测量 M2系数时,需要为光束轮廓仪使用移动平台,以及透镜和准直镜,包含在 Gentec-EO 自动 Beamage-M2系统里,它们可以作为一个完整产品包提供。它增加了一层关于光束质量的额外信息,但是在这里,我们不需要沿着 z 轴获得几个光束直径值来计算发散度。

保持静止!

第一步是在相机和激光器之间放置一个无像差聚焦透镜。关键是将透镜放在激光束的远场,相机传感器正好在透镜的焦点(不是位于束腰)。

此时只需要计算了!根据 ISO11146:2005 标准,两条主轴(x 和 y)的发散度由下式给出:

 

ωf 是距透镜距离 f 处聚焦光斑的宽度,f 是透镜在激光波长下的焦距。请注意,焦距取决于波长,因此请确保从透镜供应商处获得正确的值。

这种方法也适用于非高斯光束。无需在焦点之前或之后测量光束直径;这就是这个设置的妙处。如果更换一个不同焦距的透镜,焦点处的光束大小会有所不同,但是如果相机准确地定位于焦点处,测量的发散度将会相同。

现在您已经在计算机上安装并启动了 PC-Beamage,请打开发散度 选项卡,充分享受它的强大功能!

我们能否控制激光束的发散度?

例如,使用高功率光纤激光,您的样品通常在靠近光纤输出的位置进行处理,但发散度是通过使用光学扫描仪来控制和修改的,该扫描仪为要处理的样品提供所需的光束大小。

准直器也可用于低功率光纤激光应用,例如电信应用和各种二极管激光器。

既然您已经知道如何轻松测量发散度,那就继续测试各种光学器件,评估它们如何影响激光束大小。

激光束的自然发散度通常被用来扩大光束尺寸,并符合用激光功率计进行功率测量的功率密度损伤阈值。

laser beam divergence control and measurement

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