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激光測量:從長遠(yuǎn)來看,越便宜就越昂貴

激光制造網(wǎng) 來源:激光制造網(wǎng)2020-06-19 我要評論(0 )   

對于任何應(yīng)用,聚焦的激光束都應(yīng)符合先前定義的規(guī)格。特別是對于醫(yī)療技術(shù)而言,精確遵守參數(shù)顯得尤為重要。出于法規(guī)和道德方面的原因,必須在整個價值鏈中對激光束進(jìn)行...

對于任何應(yīng)用,聚焦的激光束都應(yīng)符合先前定義的規(guī)格。特別是對于醫(yī)療技術(shù)而言,精確遵守參數(shù)顯得尤為重要。出于法規(guī)和道德方面的原因,必須在整個價值鏈中對激光束進(jìn)行仔細(xì)測試:從激光源的開發(fā)到將其應(yīng)用于患者,以及醫(yī)療產(chǎn)品的生產(chǎn)。限制測量設(shè)備的購買價格會很快導(dǎo)致隱性成本,而這些隱性成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于最初的節(jié)省。


激光的測量技術(shù)基本上分為兩個領(lǐng)域。一方面,我們借助傳感器對激光束的功率或能量進(jìn)行純測量。但另一方面:基于相機或狹縫的測量方法也可以顯示激光器的光束輪廓。眼前的應(yīng)用應(yīng)該是確定哪些參數(shù)和使用哪種技術(shù)的決定因素。比較不同測量儀器的基本功能是其準(zhǔn)確性。在此,絕對精度(表示與真實值的偏差)與可重復(fù)性(在相同條件下,在連續(xù)測量中比較在相同條件下確定的值)之間存在區(qū)別。

功率測量——絕對精度與可重復(fù)精度

首先讓我們看一下能量和功率測量。激光功率仍然是一種昂貴的商品,盡管近年來每W的價格已大幅下降。開發(fā)新的激光器時,目標(biāo)是盡可能準(zhǔn)確地達(dá)到規(guī)定的功率。功率不應(yīng)太低,也不應(yīng)內(nèi)置太多儲備,以避免不必要地增加激光源的價格。這個事實只能用能同時提供精確而可重復(fù)的結(jié)果的測量儀器來檢驗。在這里,價格在絕對準(zhǔn)確性和可重復(fù)性方面都有明顯的區(qū)別。功率傳感器的絕對精度主要取決于其傳感器技術(shù),吸收體涂層的光學(xué)質(zhì)量(例如,均勻性和光譜特性),以及校準(zhǔn)與之匹配的程度。理想的涂層應(yīng)在光譜上平坦,并在每個波長下提供相同的值。從理論上講,將傳感器校準(zhǔn)到一個波長就足夠了。然而,實際上,涂層在不同波長下的吸收行為是不同的。因此,為了獲得較高的絕對精度,需要將傳感器校準(zhǔn)到幾個波長。這就是MKS Instruments基于NIST或PTB認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的Ophir傳感器(取決于傳感器類型)達(dá)到的絕對精度(±3–5%)的方式??紤]到用戶的實際操作條件,通過單獨的OEM校準(zhǔn),甚至可以將該值提高多達(dá)1%,根據(jù)精確校準(zhǔn)的Ophir傳感器的測量結(jié)果。

一個重要但很少討論的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)是傳感器從一次測量到下一次測量的可重復(fù)性,或幾種相同類型的傳感器的可比性。同理,測量設(shè)備的公差越高,激光器或激光系統(tǒng)制造商必須內(nèi)置的安全緩沖器就越多——成本很高。在高質(zhì)量的Ophir傳感器中,在相同的測量環(huán)境中以密耳為單位使用時,標(biāo)準(zhǔn)偏差遠(yuǎn)低于1%。例如,對于在生產(chǎn)過程中并行使用多個傳感器的公司而言,精度差異會很快顯示出來。乍一看,較便宜的解決方案通常需要較高的后續(xù)成本。例如考慮高分辨率的Ophir傳感器3A:它的孔徑為9.5mm,適用于10μW至3W和20μJ至2J的測量范圍。在高達(dá)3W的功率范圍內(nèi)的市場比較表明,該傳感器的購置成本高于平均市場價格。這并非沒有理由:事實上,Ophir 3A使用一個傳感器測量激光束,并使用另一個隱藏傳感器測量外殼中的環(huán)境影響。因此,該儀器的重復(fù)精度幾乎達(dá)到100%。這很快為用戶帶來了回報。例如,對于眼科使用的超短脈沖激光器,幾乎可以消除從一個激光器到另一個激光器的系列散射。
 
圖1和2:2D(底部)或3D(頂部)的光束輪廓乍一看顯示光束是否偏離給定的定義。

清晰、精確地分析光束輪廓

在醫(yī)療技術(shù)中的許多應(yīng)用,除了需要了解激光束的總功率或能量之外,還需要了解更多。比如要了解更多參數(shù)在起作用,例如功率分布、功率密度或焦點偏移。使用傳統(tǒng)的CCD或CMOS相機,通過將基于相機的技術(shù)與光學(xué)組件和強大的軟件智能地結(jié)合在一起,即可進(jìn)行測量。在這兒,測量結(jié)果在絕對測量結(jié)果和可重復(fù)性方面也顯示出明顯的質(zhì)量差異。除了儀器制造商選擇的攝像機類型之外,所實現(xiàn)的軟件算法和光學(xué)組件也對此產(chǎn)生了重大影響。高質(zhì)量的基于相機的測量儀器甚至可以測量可調(diào)諧激光器,可將其從UV調(diào)整為IR——仍可提供可靠的結(jié)果。相應(yīng)地,由于寬光譜范圍僅需要一種測量設(shè)置,因此可以直接為用戶節(jié)省成本。

還應(yīng)該考慮攝像機的分辨率:如果激光系統(tǒng)需要特殊的光束整形,制造商必須知道光束內(nèi)的能量分布。例如,如果在皮膚病等應(yīng)用中需要激光束中的能量均勻分布,則相機分辨率必須相應(yīng)較高。否則,根本不會顯示功率峰值。

沿著整個價值鏈進(jìn)行衡量

在醫(yī)療應(yīng)用中測量激光束是毫無疑問的:從激光光源制造商到激光系統(tǒng)的終端用戶,無論是在醫(yī)療生產(chǎn)中還是在患者環(huán)境中,測量整個價值鏈中的功率、能量(和/或)光束輪廓都是絕對必要的。選擇測量儀器時絕對值得花時間去精打細(xì)算。必須考慮定量標(biāo)準(zhǔn),包括要測量的功率和能量范圍,與光束尺寸有關(guān)的孔徑尺寸以及傳感器的工作溫度。而且,還必須考慮定性方面,因為它們會影響最終產(chǎn)品的質(zhì)量,和對患者的治療效果。如果您試圖節(jié)省測量設(shè)備的質(zhì)量,這可能意味著喪失了優(yōu)化潛力,或者需要花費更多的時間和成本才能獲得相同的激光束質(zhì)量。


 (文稿:Christian Dini,本站編輯老王譯自novuslight.com)

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