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光束質(zhì)量分析儀的原理與應(yīng)用

激光光束質(zhì)量是激光器的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)，它是整個(gè)光束在空間中傳播的特征。根據(jù)ISO標(biāo)準(zhǔn)11146，該參數(shù)可由多個(gè)測(cè)量技術(shù)在傳播光束的幾個(gè)點(diǎn)上進(jìn)行測(cè)量。該標(biāo)準(zhǔn)定義了幾種測(cè)量技術(shù)，所有這些技術(shù)都是基于使用CCD、刀口和狹縫等設(shè)備進(jìn)行的光束輪廓測(cè)量。測(cè)量的主要要求有兩點(diǎn):一是聚焦光束的測(cè)量，二是準(zhǔn)直激光的測(cè)量。對(duì)于后者，基本的工作原理是通過透鏡聚焦入射的激光束，在其相對(duì)的兩側(cè)形成一個(gè)腰部位置和一個(gè)發(fā)散光束。通過多次掃描和計(jì)算0焦點(diǎn)處的束腰和瑞利長(zhǎng)度遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散，可以確定M2測(cè)量的精確值。

光束質(zhì)量測(cè)量的重要性

在激光材料加工、印刷、切割、數(shù)字信息讀寫系統(tǒng)等應(yīng)用中，M2是一個(gè)非常重要的因素，因?yàn)楣馐妮喞蛷?qiáng)度分布可以決定材料的整體處理性能或每一卷的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力。在某些場(chǎng)合，特別是大功率場(chǎng)合，通常用光束參數(shù)乘積(BPP)代替M2，即光束束腰處的光束半徑和遠(yuǎn)場(chǎng)光束發(fā)散角的乘積。M2因子也包括波長(zhǎng)，如下公式所示。最好的光束質(zhì)量是一個(gè)衍射極限的高斯光束，它的M2等于1。

BPP = 0

光束輪廓顯示了光束的全部空間特性，包括光束的傳播、光束質(zhì)量和光束的實(shí)用性。另外，它還可顯示如何高效地調(diào)整和修改激光器的輸出。在搭建光路或?qū)鈱W(xué)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，如果光束輪廓未知，那么將可能得到不可靠的結(jié)果。

光束分析儀的應(yīng)用領(lǐng)域

1. 激光器制造

對(duì)應(yīng)激光器制造廠商而言，光束質(zhì)量M2是一個(gè)很重要的技術(shù)指標(biāo)。在許多應(yīng)用系統(tǒng)中，例如流式細(xì)胞術(shù)、激光印刷、醫(yī)療激光、激光切割等，激光器往往作為一個(gè)關(guān)鍵部件。通過進(jìn)行光束分析，測(cè)量光束的強(qiáng)度分布，可以表征和改善產(chǎn)品或生產(chǎn)過程，這可以節(jié)省大量的時(shí)間和降低成本。

2.醫(yī)學(xué)/生物技術(shù)領(lǐng)域

流式細(xì)胞術(shù)光斑整形

在醫(yī)學(xué)和生物技術(shù)行業(yè)，激光的應(yīng)用非常廣泛。光鑷、細(xì)胞分揀、DNA測(cè)序。這些應(yīng)用都需要對(duì)激光光束進(jìn)行整形和調(diào)整。光束分析儀直接檢測(cè)光束形狀，檢測(cè)光束能否達(dá)到期望值，如果不能，就需要進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整?？尚?zhǔn)的光束分析儀對(duì)維護(hù)和校準(zhǔn)這些醫(yī)療激光系統(tǒng)都是非常必要的。激光在生物技術(shù)中的應(yīng)用主要是基因組和蛋白質(zhì)組“芯片實(shí)驗(yàn)臺(tái)”探測(cè)器的掃描。這種系統(tǒng)使用激光光束識(shí)別（或“讀取”）DNA和RNA序列的積木式“字母”或蛋白質(zhì)的氨基酸成分。光斑質(zhì)量越好，采樣就越小。光束分析儀可以幫助對(duì)這一類掃描儀進(jìn)行最后的微調(diào)。

3、激光加工領(lǐng)域

高功率激光在切割、焊接、表面熔覆與合金化、表面熱處理、新材料制備等方面得到了廣泛應(yīng)用，其光束特性是影響激光加工質(zhì)量最重要的因素之一。由于激光能在工件上發(fā)射精確的功率密度，大多數(shù)高功率焊接和切割激光器都利用了激光的這種精密性。為了保證使用過程中精度的持續(xù)性，監(jiān)控激光的性能非常重要。

在激光材料加工的實(shí)際應(yīng)用中，為了獲得高能量密度，都要將激光束進(jìn)行聚焦。光束質(zhì)量越好，得到的聚焦焦斑越小；當(dāng)需要獲得相同大小的焦斑時(shí)，光束質(zhì)量越好，可采用的聚焦鏡的焦距越長(zhǎng)。焦斑大小和形狀影響激光焊接的焊縫寬度，而焦深主要影響焊接所應(yīng)選擇的材料厚度。在進(jìn)行激光加工時(shí)，對(duì)于某一加工深度有著一個(gè)最佳焦距fopt和最佳聚焦直徑dopt，如何匹配最佳的光束聚焦系統(tǒng)，是決定加工質(zhì)量的好壞以及激光器是否處于最佳工作狀態(tài)的重要因素。

光束的模式特性包括光束質(zhì)量、光束模式以及光束的橫截面能量分布。光束模式?jīng)Q定了聚焦焦點(diǎn)的能量分布，對(duì)激光加工具有重要的影響。光束模式的階次越高，激光束的能量分布越發(fā)散，焊接質(zhì)量越差。

通過合理的光束分析儀，比如Duma公司的高功率BeamOn HP系列光束質(zhì)量分析儀，就可以測(cè)量光束在真實(shí)情況下的工作狀態(tài)。它可以精確地測(cè)量在工作臺(tái)上的光束直徑、形狀以及功率分布。提供光束直徑的數(shù)值、橢圓率，以及光斑質(zhì)心的位置。對(duì)激光器、聚焦系統(tǒng)和發(fā)散系統(tǒng)所出現(xiàn)的問題都可以提前預(yù)警。