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        技術專題

        光束分析儀的應用領域

        發布日期:2014-07-08 點擊:2835

             在醫學、工業生產、激光打印、激光打標、激光焊接、激光切割以及光纖通信等多種激光應用領域,光束質量分析為激光器的有效使用提供了很多有價值的信息。在實際測量中,光束分析應用廣泛。光束輪廓顯示了光束的全部空間特性,包括光束的傳播、光束質量和光束的實用性。另外,它還可顯示如何高效地調整和修改激光器的輸出。光束輪廓在搭建激光打印機和光纖對準的光學系統時非常有用,如果光束輪廓未知,那么激光將很難甚至不能投入使用。

        1. 激光制造業

            對于傳統的激光器制造商而言,光束質量分析已成為標準技術。均勻散射激光束的品質由以下參數定義:衍射極限倍數因子M2,或它的倒數k因子。

        M2或k因子給出了激光光束聚焦程度的理論測量方法。這對評價不同應用領域的光束好壞非常重要。M2或k=1表示理想的衍射光束。換句話說,它直接與波長和透鏡系統的衍射極限相關,和激光本身沒有任何關系。

        激光二極管和垂直腔面發射半導體激光器(VCSEL)都是半導體激光器,有著比近軸光束更大的發散角。從典型的激光腔中檢測這類激光非常困難。通常重要參數包括:功率輸入-光強輸出曲線(稱為LI或LIV曲線)、光束的光譜以及發散角。由于半導體激光器的發散角較大,需要用透鏡聚焦得到可用光束。通過光束形狀和發散特性,能夠得出光學設計中設備的工作情況。LI曲線可以提供激光器的輸出效率,并能探測到二極管生產工藝中的任何瑕疵。二極管激光器的波長由晶格的物理結構以及它怎么構成激光腔決定,因此,二極管激光器系統不僅需要測量LI曲線和發散角輪廓,還需要進行光譜測試。

        2. 醫學/生物技術領域

            在醫學和生物技術行業,激光的應用非常廣泛,從光手術刀到讀取DNA芯片遺傳密碼的掃描儀。這些應用都需要對激光光束進行整形和調整。光束分析儀直接檢測光束形狀,觀測光束能否達到期望值,如果不能,就需要進行實時調整。美國FDA和國家衛生管理機構對醫療器械的測試有嚴格的要求。符合“生產質量管理規范”(GMP)和“非臨床研究質量管理規范”(GLP)是最根本的要求。為保證醫療設備的性能,這兩個規范都要求進行可重復和可追蹤測試。不管是Lasik眼科手術、腹腔鏡手術中使用的光手術刀,還是其他病人護理中的激光器,可追蹤、可校準的光束分析儀對維護和校準這些醫療激光系統都是非常必要的。

        激光在生物技術中的應用主要是基因組和蛋白質組“芯片實驗臺”探測器的掃描。這種系統使用激光光束識別(或“讀取”)DNA和RNA序列的積木式“字母”或蛋白質的氨基酸成分。光斑質量越好,采樣就越小。光束分析儀可以幫助對這一類掃描儀進行最后的微調。

        3. 制圖和印刷工業

            激光印刷工業較早利用光束分析儀來設計和制造激光打印機的核心部分——激光掃描單元(LSU)。這需要了解系統的光斑尺寸、陣列以及光束擺動對激光打印機的影響,并做進一步的改進。激光打印機行業的市場競爭非常激烈,因此降低LSU的生產成本極為重要。盡管如此,每一個LSU都必須進行調整和測試以確保正確運行。常規的LSU測試時間大約需要20分鐘,一種新的儀器測量技術可以把測試時間減少到幾秒。LSU的生產能力由此增加了十倍以上,因此測試成本得到顯著降低。

        4. 條形碼掃描和光存儲

            條形碼掃描和光存儲技術利用激光光束讀寫信息。與生物掃描技術和激光打印一樣,光束越小,讀寫信息越精確。然而,為了讓掃描儀處在方便的工作距離范圍之內,條形碼讀取器需要光束的操作范圍非常長。光束的束腰區域的長度稱為瑞利范圍,就是光束直徑的 區域,這里D0稱為光腰,或稱為光束最小直徑。
         
        光束分析儀的實時成像圖

            光束分析儀可以直接測量和調整光束達到長瑞利范圍,以保證掃描儀的良好性能。另一方面,對于光存儲,光束通常被優化為一個非常小的光斑。光存儲激光器的焦點非常關鍵,因為光斑大小和瑞利范圍成反比。

        對于比較小的光斑,發散角必須足夠大;對于發散角較小(比如長瑞利范圍、準直光束)的情況,光腰值必須大。

        5. 焊接和切割領域

            由于激光能在工件上發射精確的功率密度,大多數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性,監控激光的性能非常重要。現在通常所采用的處理方法是檢測瑕疵處,或者監控未聚焦光束和推斷聚焦光束的性能。

        但這兩種方法都不是更佳解決方案。首先,為了了解激光是否正常工作,需要浪費材料和時間制造一個缺陷,有時缺陷還很難被探測到,只有在激光加工過程中才能被探測出來,這樣就產生了額外費用,增加了廢棄和返工的可能。監控初始的激光束的缺點是只檢測了激光器,而不是實際的光學系統,它不能告訴您下一步怎么處理半成品。通過設計合理的狹縫掃描光束分析儀,比如Photon公司的高功率NanoScan光束質量分析儀,就可以測量光束在真實情況下的工作狀態。它可以精確地測量在工作臺上的光束直徑、形狀以及功率分布。提供光束直徑的數值、橢圓率,以及光斑質心的位置。對激光器、聚焦系統和發散系統所出現的問題都可以提前預警。

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