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激光（光束）性能

激光器脈沖寬度檢測方法和流程

激光器脈沖寬度的檢測是評估激光性能的一個重要方面，尤其對于需要精確控制脈沖特性的應(yīng)用來說。脈沖寬度決定了激光能量在時間上的分布，影響著加工質(zhì)量、治療效果等。以下是幾種常見的檢測方法和基本流程：

1. 光電探測器結(jié)合示波器法

方法介紹：

使用高速光電探測器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。

通過連接到高速示波器來觀察和記錄這些電信號。

流程：

將光電探測器放置于激光束路徑中，并確保其能夠接收足夠的光強度而不至于飽和。

連接光電探測器輸出至示波器輸入端口。

調(diào)整示波器設(shè)置以捕捉激光脈沖的完整形狀。

記錄并分析示波器上顯示的脈沖寬度。

2. 自相關(guān)儀測量法

方法介紹：

自相關(guān)儀基于非線性光學(xué)效應(yīng)（如二次諧波產(chǎn)生）工作，可以用來直接測量脈沖寬度。

流程：

將激光導(dǎo)入自相關(guān)儀內(nèi)。

根據(jù)設(shè)備說明書調(diào)整自相關(guān)儀參數(shù)，確保最佳工作狀態(tài)。

測量結(jié)果通常會給出一個與脈沖寬度相關(guān)的函數(shù)曲線，從中可提取出脈沖寬度信息。

3. 光譜干涉法

方法介紹：

利用多波長干涉原理來測量超短脈沖的脈寬，特別適用于飛秒級脈沖寬度測量。

流程：

將待測激光引入光譜干涉儀系統(tǒng)。

分析由不同頻率成分產(chǎn)生的干涉圖樣。

使用專門軟件或算法處理數(shù)據(jù)，計算出脈沖寬度。

注意事項：

在進行任何測量之前，請確保了解所使用設(shè)備的操作指南以及安全注意事項。

對于不同的激光類型（連續(xù)波 vs 脈沖），可能需要選擇適合的檢測技術(shù)。

環(huán)境條件如溫度、濕度也可能對測量結(jié)果造成影響，因此盡量保持穩(wěn)定的工作環(huán)境。

激光功率檢測方法和流程

激光功率檢測是確保激光器性能、安全性和應(yīng)用效果的關(guān)鍵步驟。以下是常見的激光功率檢測方法和標(biāo)準(zhǔn)流程介紹：

一、 激光功率檢測的主要方法

熱電式（熱吸收）檢測法

原理：利用熱電堆傳感器吸收激光能量并轉(zhuǎn)化為熱能，通過測量溫差產(chǎn)生的電動勢（電壓）來計算功率。

優(yōu)點：

可測量從毫瓦到數(shù)千瓦的寬功率范圍。

對激光波長不敏感，適用于多種波長（紫外到遠紅外）。

穩(wěn)定性好，適合連續(xù)（CW）和脈沖激光。

缺點：

響應(yīng)速度較慢（通常幾秒到幾十秒）。

易受環(huán)境溫度影響，需熱平衡。

光電二極管檢測法

原理：利用半導(dǎo)體光電二極管將光信號轉(zhuǎn)換為電流信號，通過測量電流大小計算光功率。

優(yōu)點：

響應(yīng)速度快（微秒級），適合測量脈沖激光或調(diào)制光。

靈敏度高，適合低功率（nW~mW級）測量。

缺點：

功率測量范圍小，易飽和。

對波長敏感，需針對特定波長校準(zhǔn)。

高功率下易損壞，通常需配合衰減器使用。

積分球+光電探測器法

原理：將激光導(dǎo)入積分球內(nèi)，通過多次漫反射使光均勻分布，再由固定位置的光電探測器測量總光通量。

適用：

光束不規(guī)則、發(fā)散角大或空間分布不均的激光。

高功率激光（配合衰減）。

優(yōu)點：對入射角度和光斑形狀不敏感，測量重復(fù)性好。

焦耳計（量熱法）

原理：將激光能量完全吸收并轉(zhuǎn)化為熱量，通過測量溫升計算能量（常用于脈沖激光）。

應(yīng)用：主要用于測量單脈沖能量（單位：焦耳），也可用于平均功率計算。

特點：精度高，常作為校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)。

二、 激光功率檢測標(biāo)準(zhǔn)流程

準(zhǔn)備工作

選擇合適探測器：根據(jù)激光波長、功率范圍、連續(xù)/脈沖模式選擇匹配的功率計探頭。

預(yù)熱設(shè)備：開啟功率計主機和探頭，預(yù)熱10–30分鐘以達到熱穩(wěn)定。

環(huán)境檢查：避免強光干擾、氣流、振動，確保測量環(huán)境穩(wěn)定。

校準(zhǔn)與歸零

波長設(shè)置：在功率計上設(shè)置被測激光的實際波長（尤其對光電二極管型）。

背景歸零（Zeroing）：遮擋光路，執(zhí)行“歸零”操作，消除環(huán)境光和暗電流影響。

校準(zhǔn)（Calibration）：使用經(jīng)國家計量機構(gòu)校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)光源定期校驗設(shè)備，確保溯源性。

測量操作

光路對準(zhǔn)：確保激光束完全照射在探測器感光面上，避免邊緣溢出。

功率讀取：

連續(xù)激光：待讀數(shù)穩(wěn)定后記錄平均功率。

脈沖激光：設(shè)置正確的脈沖頻率和寬度，讀取平均功率或單脈沖能量。

多點測量：對不穩(wěn)定的激光源，可進行多次測量取平均值。

數(shù)據(jù)記錄與分析

記錄測量時間、環(huán)境溫度、激光參數(shù)（波長、模式、功率設(shè)定值）和實測值。

計算偏差、穩(wěn)定性（如波動百分比）等指標(biāo)。

安全注意事項

佩戴對應(yīng)波長的激光防護眼鏡。

使用光束擋板，防止激光外泄。

高功率激光需使用衰減片或?qū)Ｓ酶吖β侍筋^，避免損壞傳感器。

三、 應(yīng)用場景

激光器出廠測試與質(zhì)量控制

激光加工（切割、焊接）工藝監(jiān)控

醫(yī)療激光設(shè)備安全認證

科研實驗中的光強標(biāo)定

通過規(guī)范的檢測方法和流程，可確保激光功率測量的準(zhǔn)確性與可重復(fù)性，為激光應(yīng)用提供可靠數(shù)據(jù)支持。

激光性能檢測之激光波長檢測

激光性能檢測之波長檢測。

激光性能檢測項目中，波長檢測屬于最基礎(chǔ)的性能檢測項目。

激光性能檢測過程中，我們怎么檢測激光的波長呢？

激光波長檢測方法如下：

光譜儀（Spectrometer）：

光譜儀是一種常見的工具，它可以通過分光元件（如光柵或棱鏡）將入射光分散成不同波長的光譜，并通過探測器記錄這些波長的強度分布。對于連續(xù)波和脈沖激光，光譜儀都可以提供高分辨率的波長信息。

干涉儀（Interferometer）：

干涉儀利用光的干涉原理來測量波長。例如邁克爾遜干涉儀，它可以非常精確地測量激光波長，尤其是用于單色性很好的激光光源。通過調(diào)整干涉儀的一個反射鏡的位置，可以獲得干涉條紋的變化，從而計算出波長。

法布里-珀羅干涉儀（Fabry-Pérot Interferometer）：

法布里-珀羅干涉儀由兩個平行且部分透明的反射鏡組成，形成一個空腔。當(dāng)激光通過時，只有特定波長的光可以在腔內(nèi)產(chǎn)生共振并被傳輸出去。這使得法布里-珀羅干涉儀成為一種高度選擇性的波長篩選工具，常用于窄帶激光的波長測量。

波長計（Wavelength Meter）：

專門設(shè)計用于快速準(zhǔn)確測量激光波長的儀器。它們通常基于自相關(guān)、外差檢測或者頻譜分析等技術(shù)，能夠提供實時的波長讀數(shù)，適用于實驗室和工業(yè)環(huán)境下的連續(xù)監(jiān)控。

色散棱鏡或光柵（Diffraction Grating or Prism）：

當(dāng)光線通過棱鏡或光柵時，由于不同波長的光具有不同的折射角或衍射角，因此可以根據(jù)角度偏轉(zhuǎn)來確定波長。這種方法簡單直觀，但精度取決于裝置的質(zhì)量和穩(wěn)定性。

多普勒頻移測量（Doppler Shift Measurement）：

對于某些類型的激光，特別是那些與運動物體相互作用的激光（如在流速測量中），可以通過測量多普勒頻移來間接推算出激光波長。

電調(diào)制吸收光譜（Electro-modulated Absorption Spectroscopy）：

利用材料對特定波長光的選擇性吸收特性，在施加電場的情況下觀察吸收邊的變化，進而確定激光波長。此方法主要用于半導(dǎo)體激光器的波長表征。

頻率梳（Frequency Comb）：

頻率梳技術(shù)提供了一種極其精確的方法來測量激光波長，尤其適合飛秒激光脈沖。頻率梳產(chǎn)生的穩(wěn)定相位相干光譜包含了大量均勻間隔的頻率線，可用于絕對波長校準(zhǔn)。

直接比較法（Direct Comparison with Known Sources）：

將待測激光與已知波長的標(biāo)準(zhǔn)光源進行比較，例如使用濾光片或參考激光器來進行對比測試。這是一種較為傳統(tǒng)的方法，依賴于標(biāo)準(zhǔn)源的準(zhǔn)確性。

激光性能參數(shù)檢測標(biāo)準(zhǔn)

激光性能檢測是什么檢測？

激光性能檢測是對激光器的輸出光束進行的一系列檢測和評估，以確保其滿足設(shè)計要求和應(yīng)用需求。

激光性能檢測標(biāo)準(zhǔn)有哪些？

激光性能檢測標(biāo)準(zhǔn)，目前我司的激光性能檢測標(biāo)準(zhǔn)，主要使用了下面這些檢測標(biāo)準(zhǔn)：

1，光束質(zhì)量因子 M2檢測標(biāo)準(zhǔn)

GB/T 26599.1

ISO 11146 -1

2，光束指向和位置穩(wěn)定度檢測標(biāo)準(zhǔn)

GB/T 27662

ISO 11670

3，中心波長檢測標(biāo)準(zhǔn)

GB/T 15175；

GB/T 31359

ISO 13695

4，峰值波長檢測標(biāo)準(zhǔn)

GB/T 15175；

GB/T 31359

ISO 13695

5，光譜寬度檢測標(biāo)準(zhǔn)

GB/T 15175；

GB/T 31359

ISO 13695

6，光譜線寬檢測標(biāo)準(zhǔn)

GB/T 15175

ISO 13695

7，波長穩(wěn)定性檢測標(biāo)準(zhǔn)

GB/T 15175

ISO 13695

8，連續(xù)功率檢測標(biāo)準(zhǔn)

GB/T 15175；

GB/T 31359

ISO 11554

9，功率及能量穩(wěn)定性檢測標(biāo)準(zhǔn)

GB/T 15175；

GB/T 31359

ISO 11554

10，功率及能量密度檢測標(biāo)準(zhǔn)

GB/T 15175；

GB/T 31359

ISO 11554

11，功率密度分布檢測標(biāo)準(zhǔn)

YY/T 0756 -2009

ISO 13694

12，光束  （束腰）  寬度/直徑檢測標(biāo)準(zhǔn)

GB/T 26599.1；

GB/T 13739；

GB/T 15175

ISO 11146 -1

13，束腰位置檢測標(biāo)準(zhǔn)

GB/T 26599.1；

GB/T 15175

ISO 11146 -1

14，瑞利長度檢測標(biāo)準(zhǔn)

GB/T 26599.1

ISO 11146 -1

15，束散角/發(fā)散角檢測標(biāo)準(zhǔn)

GB/T 26599.1；

GB/T 13739；

GB/T 15175

ISO 11146 -1

16，橢圓度檢測標(biāo)準(zhǔn)

GB/T 26599.1

ISO 11146 -1

17，激光模式檢測標(biāo)準(zhǔn)

GB/T 13739

ISO 11146 -1

18，偏振度檢測標(biāo)準(zhǔn)

GB/T 15175；

GB/T 31359

ISO 12005

19，脈沖寬度檢測標(biāo)準(zhǔn)

GB/T 15175；

GB/T 31359；

GB/T 41572

ISO 11554

20，重復(fù)頻率檢測標(biāo)準(zhǔn)

GB/T 15175；

GB/T 31359；

GB/T 41572

ISO 11554

21，脈沖時間穩(wěn)定性檢測標(biāo)準(zhǔn)

GB/T 15175

ISO 11554

22，快軸和慢軸發(fā)散角檢測標(biāo)準(zhǔn)

GB/T 31359

23，光強分布檢測標(biāo)準(zhǔn)

GB/T 31359

24，標(biāo)稱眼危害距離 NOHD檢測標(biāo)準(zhǔn)

GB/T 41643；

GB 7247.1

IEC 60825 -1

25，激光安全等級檢測標(biāo)準(zhǔn)

GB 7247.1

IEC 60825 -1

激光性能檢測步驟和方法

激光性能的檢測是一個復(fù)雜的過程，它涉及對激光器多個關(guān)鍵參數(shù)的測量，以確保其符合設(shè)計規(guī)格和應(yīng)用要求。

以下是進行激光性能檢測的一般步驟和方法：

1. 安全準(zhǔn)備

個人防護：佩戴適當(dāng)?shù)募す夥雷o眼鏡和服裝。

安全設(shè)置：確保實驗室或測試區(qū)域符合激光安全標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)置警告標(biāo)志。

2. 設(shè)備校準(zhǔn)

儀器校準(zhǔn)：確保所有使用的測量設(shè)備已經(jīng)過校準(zhǔn)，并且在有效期內(nèi)。

環(huán)境控制：保持測試環(huán)境穩(wěn)定，包括溫度、濕度等。

3. 基本參數(shù)測量

輸出功率/能量：使用功率計或能量計直接測量激光器的輸出。對于脈沖激光器，還需測量脈沖能量和重復(fù)頻率。

波長：利用光譜儀或波長計來確定激光的實際工作波長。

光束直徑和發(fā)散角：使用CCD相機或光斑分析儀來測量激光光束的直徑以及發(fā)散情況。

M2因子：通過測量不同位置的光束直徑來計算光束的質(zhì)量因子M2，這有助于評估光束的空間相干性。

4. 高級特性測量

脈沖特性：如果激光器工作在脈沖模式下，還需要測量脈沖寬度（使用快速光電探測器和示波器）、脈沖形狀等。

調(diào)Q和鎖模特性：對于調(diào)Q或鎖模激光器，要檢查調(diào)Q開關(guān)的工作情況和鎖模脈沖序列的質(zhì)量。

光譜特性：使用光譜分析儀來檢查激光的頻譜純度和帶寬。

5. 穩(wěn)定性和可靠性測試

長期穩(wěn)定性：讓激光器連續(xù)運行一段時間，監(jiān)測其輸出功率、波長等參數(shù)的變化。

環(huán)境敏感性：改變環(huán)境條件（如溫度、濕度），觀察激光器性能的變化。

6. 數(shù)據(jù)記錄與分析

記錄數(shù)據(jù)：詳細記錄所有的測量結(jié)果，包括測量條件。

數(shù)據(jù)分析：對比測量結(jié)果與制造商提供的規(guī)格表，分析激光器是否滿足應(yīng)用要求。

報告編寫：撰寫詳細的測試報告，包含所有測量數(shù)據(jù)、分析結(jié)論及建議。

7. 維護與調(diào)整

必要調(diào)整：根據(jù)測試結(jié)果，可能需要對激光器進行一些調(diào)整，如清潔光學(xué)元件、調(diào)整諧振腔長度等。

定期維護：制定定期的維護計劃，確保激光器長期穩(wěn)定運行。

激光性能參數(shù)定義

M2因子  

在激光科學(xué)中，參數(shù)M2也稱為光束質(zhì)量因子，表示光束到理想高斯光束的變化程度。它由光束的光束參數(shù)乘積(BPP)與相同波長的理想  

高斯光束的光束參數(shù)乘積(BPP)之比計算而得。它將激光束的發(fā)散度與能夠達到的最小聚焦光斑大小聯(lián)系起來。對于單模TEM00(高斯)  

激光束，M2為1。  

光束質(zhì)量在很多應(yīng)用中是重要的評價標(biāo)準(zhǔn)，在光纖通信中，為了與單模光纖耦合，需要M2因子接近1的光束。M2決定了已知直徑的準(zhǔn)  

直光束聚焦的緊密程度，焦點的直徑跟隨M2和輻照度的變化而變化，這在激光加工和激光焊接中是非常重要的，因為它決定了焊接位  

置的高能量密度。  

ISO標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了一種計算M2的方法，測量一組光束的直徑，最大限度地減少誤差來源。以下是主要步驟:  

-用無像差透鏡聚焦。  

-使用ISO標(biāo)準(zhǔn)中詳細的回歸方程來擬合雙曲線到X軸和Y軸的數(shù)據(jù)點，通過最小化測量誤差來提高計算的準(zhǔn)確性。  

-從擬合曲線中提取每個軸的θ、R、W0和M2的值。ISO標(biāo)準(zhǔn)還提出了一些關(guān)于直徑測量的額外規(guī)則(特別是當(dāng)使用ccd或cmos陣列傳感器時):  

-用直徑的三倍作為計算區(qū)域。  

-在進行測量之前一定要去除背景噪聲。

激光性能檢測范圍

固體激光器（光纖激光器）

波長

輸出功率

功率不穩(wěn)定度

束散角

出口光束直徑、束寬

光束質(zhì)量因子

束腰直徑、寬度

光束指向不穩(wěn)定度

偏振度

閾值

電光轉(zhuǎn)換效率

脈沖寬度（準(zhǔn)連續(xù)型和脈沖型）

脈沖重復(fù)頻率（準(zhǔn)連續(xù)型和脈沖型）

輸出能量（準(zhǔn)連續(xù)型和脈沖型）

輸出能量不穩(wěn)定度（準(zhǔn)連續(xù)型和脈沖型）

平均功率（準(zhǔn)連續(xù)型和脈沖型） 

 半導(dǎo)體激光器

中心波長

峰值波長

譜寬度

輸出光功率

平均功率（準(zhǔn)連續(xù)型和脈沖型）

峰值功率（準(zhǔn)連續(xù)型和脈沖型）

脈沖能量（準(zhǔn)連續(xù)型和脈沖型）

工作電壓

工作電流

閾值電流

斜率效率

脈沖寬度（準(zhǔn)連續(xù)型和脈沖型）

脈沖重復(fù)頻率（準(zhǔn)連續(xù)型和脈沖型）

電光轉(zhuǎn)換效率

溫度-波長漂移系數(shù)

偏振度

光束寬度

光強分布

輸出功率不穩(wěn)定度

輸出能量不穩(wěn)定度（準(zhǔn)連續(xù)型和脈沖型）

占空比

邊模抑制比

截止頻率 

工業(yè)激光器

輸出功率

平均輸出功率（準(zhǔn)連續(xù)型和脈沖型）

輸出功率不穩(wěn)定度

光束質(zhì)量因子

波長

半峰全寬

脈沖寬度（準(zhǔn)連續(xù)型和脈沖型）

電光轉(zhuǎn)換效率

光束直徑

脈沖重復(fù)頻率（準(zhǔn)連續(xù)型和脈沖型）

單脈沖能量（準(zhǔn)連續(xù)型和脈沖型）

脈沖寬度（準(zhǔn)連續(xù)型和脈沖型）

脈沖重復(fù)頻率（準(zhǔn)連續(xù)型和脈沖型）

對光束束寬的定義方法

光斑尺寸：  

對光束束寬的定義有以下幾種方法：  

1、1/n定義法  

在光強分布曲線上，相對光強為峰值光強的1/n處的兩個點之間的距離定義為光束的束寬，一般n取值為e2或e，實際上是按照光強分布  

定義的。  

2、功率定義法  

在光強分布曲線上，占總功率能量的η處至峰值處距離定義為束寬w（z），常用的η有86.5%，63%。  

3、刀口法  

按能量來定義束寬，對應(yīng)10%和90%能量截斷點間的距離定義為束寬，可避免“1/n”方法用于計算無規(guī)則光束的困難，能用于計算  

無規(guī)則的和光束質(zhì)量極差的光束的束寬。  

4、二階矩定義法  

直角坐標(biāo)系中，在z處x、y方向的束寬wx，wy按二階矩方法定義為：束寬ω(z)隨坐標(biāo)z按雙曲線  

規(guī)律向外擴展，z=0時，ω(0)為最小值，ω0稱為束腰。  

瑞利長度：  

高斯光束的波陣面在束腰位置處為平面波，波陣面是由此開始傳播的。波陣面從束腰位置向前傳播，逐漸變成曲面，直到等相面曲率半  

徑達到最小，此后變平。從束腰到達最小曲率半徑位置兩者之間的距離就稱為瑞利范圍，其大小由Z0來表示稱為瑞利尺寸。在Z0≤Z  

范圍內(nèi)高斯光束可以近似認為是平行光束，光束的瑞利長度越大則準(zhǔn)直性越好。  

發(fā)散角：  

一般用發(fā)散角描述激光的發(fā)散度，有多種方式去測量激光束的發(fā)散度，我們在這里描述兩種激光束發(fā)散度的測量方法。  

方法1：  

使用一個已知焦距的透鏡測量遠場激光束發(fā)散度，顯然完全發(fā)散θ=D/f，D是焦點位置的束腰半徑，f是焦距。  

通過將CinCam分析儀放置在焦距處，并且直接在軟件RayCi上輸入焦距，就很容易實現(xiàn)光束發(fā)散度的測量。  

方法2：  

通過直接計算光束路徑中的幾個位置的光束尺寸進行測量，發(fā)散度由公式θ=2arctan[（D1-D2）/2L]算出，D1、D2是不同位置的光斑  

直徑，L是兩個被測光斑之間的距離。