激光束光斑尺寸初学者指南

当有人问我如何测量他们激光束的光斑尺寸时,我通常会回答几个问题,因为这种测量并不像乍看起来那么简单,尤其是如果你想精确而严谨地进行测量。

以下是我常用的问题/答案。

  • 您是想测量焦斑还是光束直径?
  • 您想使用哪个光束直径定义?
  • 您是否有合适的仪器?


我们来探讨每一个问题,看看我为什么要问这些问题。

您是想测量焦斑尺寸还是光束直径?

如果缺乏测量目标,人们就很容易在测量中迷失。

对一些人来说,激光束的光斑尺寸意味着当被透镜聚焦时,它在焦平面上的最小直径,而对另一些人来说,它意味着当激光束离开激光器时,或者在他们需要测量它的任何其他地方的直径。

区分这两种情况很重要,因为测量方法不同。

当激光束沿其光路传播时,它的直径会不断变化。如果我们考虑高斯光束的理想情况,沿传播轴 z 的光束宽度(或半径 w)由以下等式定义:

equation - laser spot size

其中 w0 是束腰(高斯光束的最小半径),zR 是瑞利长度:

光束直径是光束半径的两倍,可以在传播轴的任何地方测量。

当您用焦距为 f 的透镜聚焦高斯光束时,束腰(或激光光斑尺寸公式)变为:

spot size of laser beam

chart of laser beam spot size

因此,焦斑尺寸可以非常小,并且当它很小时,光束尺寸沿着传播轴变化非常快。测量激光束的焦斑尺寸本身几乎是一门艺术,因为它要求传感器成像平面的位置具有非常高的精度,并且需要调整该位置以找到焦平面的方法。

由于焦斑测量基本上是激光束直径测量的一种特殊情况,所以,我们将在本文中集中讨论后者。

您想使用哪个光束直径定义?

有三种常见的光束直径定义:FWHM、1/e2 和 D4σ。以下是它们的计算方法,以及它们是如何相关联的快速概述。

 laser beam spot size definition chart

FWHM(半峰全宽)

半峰全宽,也称为半功率光束宽度,是从光束强度沿穿过光束中心(通常也是其最大强度点)的预定轴的分布曲线测量的。FWHM 对应于最接近峰值的两点之间的距离,这两点具有最大辐照度或强度的 50%。

有些人喜欢用光束最大强度的其他百分比来定义它的宽度。一个常见的百分比是 13.5%,这使我们得出下一个光束直径定义:1/e2

1/E2(峰值的 13.5%)

虽然这似乎是一个奇怪的值的选择,但 1/e2 实际上来自于一个简化。在描述高斯光束径向分布的方程中,

我们可以看到,如果我们观察半径等于 w 的点(因此在理论束宽半径处),那么强度是最大值的 1/e2 倍:

那么,这 13.5% 从何而来呢?简单地说,欧拉常数 e,约等于 2.71828,所以 1/e^2 = 0.13534!

美国国家标准联邦航空管理局都使用这个定义进行激光安全计算。如果您需要测量激光束光斑尺寸以符合这些激光安全规定,您必须使用 1/e2 定义。

但您会问,这和 FWHM 有什么关系?从高斯光束方程中,我们可以找到强度为峰值一半的半径,并分离出 w:

由于 FWHM 和 1/e2 定义都是根据沿一个轴的强度分布计算的,所以它们都没有考虑整个光束轮廓。下面的定义正是这么做的。

D4Σ(二阶矩宽度)

激光束直径的这个第三个定义非常常用,主要是因为它的使用是由ISO 国际标准推荐的,用于测量激光束的束宽(直径)、发散角和光束传输比。

基本上,D4σ 直径是沿着光束长轴和短轴的强度分布的标准偏差的 4 倍。它从光束轮廓的二阶矩开始计算。对于测量系统中没有噪声的理想高斯光束,在 1/e2 定义和 D4σ 中测量的直径是相同的。

这种方法的主要缺点是,如果测量中存在背景噪声,计算的直径将大于实际值。这就是为什么我们建议在测量激光束直径之前总是做背景减法。

您是否有合适的仪器?

了解您的激光是为您的光斑尺寸测量购买合适的激光束轮廓仪的第一步。

波长范围

因为您的仪器是基于探测器阵列,所以,它必须对激光波长敏感。如果不是,您将收不到信号,因此也就不会有测量结果。在某些情况下,我们可能会推荐光束轮廓附件,例如紫外转换器或红外适配器,它们使用荧光或磷光将光束转换成我们的相机敏感的可见波长。

如果您的波长在我们的传感器仅稍微敏感的光谱区域,那么我们可能建议使用滤波器来阻挡来自其他波长的光,减少来自环境或多余的源头噪声。

传感器尺寸和像素间距

在购买激光束轮廓测量仪之前,您应该对将要测量的光束尺寸有一个大致的了解。您需要知道这一点,以确保您的传感器足够大,并且像素足够小。

我们建议传感器的尺寸至少为最大直径的 3 。对于像素间距(或称为像素大小),我们建议您测量的最小光束应在至少 10 个像素以内

例如,如果传感器的像素间距为 5.5 µm,您不应该试图用它来测量小于 55 µm 的光束。

激光功率和激光功率密度

您需要检查的最后一个参数是激光功率密度对传感器的影响。您可以根据光束直径和平均功率(甚至是脉冲光束)来计算,并相应地添加衰减滤波器。

您还必须考虑到激光束轮廓仪的灵敏度随着波长的变化而变化,饱和度也是如此。为了简化您的计算,我们为每个光束轮廓仪提供了最小和最大功率密度曲线。以下是示例。

如果平均功率高于 1 W,您必须在使用衰减滤波器之前对光束进行采样。我们提供各种型号的光束采样器,以满足您高达 500 W 的衰减需求。

如果您不知道激光的确切直径和功率,近似值也会有效,因为光束轮廓仪具备曝光时间调整功能,以补偿功率密度的变化。

如果您需要帮助选择光束轮廓仪及其附件,请随时联系我们,我们将很乐意帮助您!


Gentec-EO
Gentec Electro-Optics 是一家专业从事激光束和太赫兹源测量和分析的公司。Gentec-EO 凭借其在激光市场 45 年创新、发展和提供顶尖技术的非凡记录,成为了激光束测量领域的专家权威。 从工厂到医院、实验室和研究中心的各式激光应用,Gentec-EO 提供了最为广泛的现货供应和定制化解决方案,不论是现在还是将来都有能力随时为您提供服务。
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