激光（光束）性能

激光性能檢測之波長檢測

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。當激光通過時，只有特定波長的光可以在腔內產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）：

專門設計用于快速準確測量激光波長的儀器。它們通常基于自相關、外差檢測或者頻譜分析等技術，能夠提供實時的波長讀數，適用于實驗室和工業環境下的連續監控。

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

當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，因此可以根據角度偏轉來確定波長。這種方法簡單直觀，但精度取決于裝置的質量和穩定性。

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體激光器的波長表征。

頻率梳（Frequency Comb）：

頻率梳技術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。頻率梳產生的穩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。

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

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

激光性能參數檢測標準

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，以確保其滿足設計要求和應用需求。

激光性能檢測標準有哪些？

激光性能檢測標準，目前我司的激光性能檢測標準，主要使用了下面這些檢測標準：

1，光束質量因子 M2檢測標準

GB/T 26599.1

ISO 11146 -1

2，光束指向和位置穩定度檢測標準

GB/T 27662

ISO 11670

3，中心波長檢測標準

GB/T 15175；

GB/T 31359

ISO 13695

4，峰值波長檢測標準

GB/T 15175；

GB/T 31359

ISO 13695

5，光譜寬度檢測標準

GB/T 15175；

GB/T 31359

ISO 13695

6，光譜線寬檢測標準

GB/T 15175

ISO 13695

7，波長穩定性檢測標準

GB/T 15175

ISO 13695

8，連續功率檢測標準

GB/T 15175；

GB/T 31359

ISO 11554

9，功率及能量穩定性檢測標準

GB/T 15175；

GB/T 31359

ISO 11554

10，功率及能量密度檢測標準

GB/T 15175；

GB/T 31359

ISO 11554

11，功率密度分布檢測標準

YY/T 0756 -2009

ISO 13694

12，光束  （束腰）  寬度/直徑檢測標準

GB/T 26599.1；

GB/T 13739；

GB/T 15175

ISO 11146 -1

13，束腰位置檢測標準

GB/T 26599.1；

GB/T 15175

ISO 11146 -1

14，瑞利長度檢測標準

GB/T 26599.1

ISO 11146 -1

15，束散角/發散角檢測標準

GB/T 26599.1；

GB/T 13739；

GB/T 15175

ISO 11146 -1

16，橢圓度檢測標準

GB/T 26599.1

ISO 11146 -1

17，激光模式檢測標準

GB/T 13739

ISO 11146 -1

18，偏振度檢測標準

GB/T 15175；

GB/T 31359

ISO 12005

19，脈沖寬度檢測標準

GB/T 15175；

GB/T 31359；

GB/T 41572

ISO 11554

20，重復頻率檢測標準

GB/T 15175；

GB/T 31359；

GB/T 41572

ISO 11554

21，脈沖時間穩定性檢測標準

GB/T 15175

ISO 11554

22，快軸和慢軸發散角檢測標準

GB/T 31359

23，光強分布檢測標準

GB/T 31359

24，標稱眼危害距離 NOHD檢測標準

GB/T 41643；

GB 7247.1

IEC 60825 -1

25，激光安全等級檢測標準

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雜的過程，它涉及對激光器多個關鍵參數的測量，以確保其符合設計規格和應用要求。

以下是進行激光性能檢測的一般步驟和方法：

1. 安全準備

個人防護：佩戴適當的激光防護眼鏡和服裝。

安全設置：確保實驗室或測試區域符合激光安全標準，設置警告標志。

2. 設備校準

儀器校準：確保所有使用的測量設備已經過校準，并且在有效期內。

環境控制：保持測試環境穩定，包括溫度、濕度等。

3. 基本參數測量

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Q和鎖模特性：對于調Q或鎖模激光器，要檢查調Q開關的工作情況和鎖模脈沖序列的質量。

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. 穩定性和可靠性測試

長期穩定性：讓激光器連續運行一段時間，監測其輸出功率、波長等參數的變化。

環境敏感性：改變環境條件（如溫度、濕度），觀察激光器性能的變化。

6. 數據記錄與分析

記錄數據：詳細記錄所有的測量結果，包括測量條件。

數據分析：對比測量結果與制造商提供的規格表，分析激光器是否滿足應用要求。

報告編寫：撰寫詳細的測試報告，包含所有測量數據、分析結論及建議。

7. 維護與調整

必要調整：根據測試結果，可能需要對激光器進行一些調整，如清潔光學元件、調整諧振腔長度等。

定期維護：制定定期的維護計劃，確保激光器長期穩定運行。

激光性能參數定義

M2因子  

在激光科學中，參數M2也稱為光束質量因子，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乘積(BPP)與相同波長的理想  

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

激光束，M2為1。  

光束質量在很多應用中是重要的評價標準，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  

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標準規定了一種計算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標準中詳細的回歸方程來擬合雙曲線到X軸和Y軸的數據點，通過最小化測量誤差來提高計算的準確性。  

-從擬合曲線中提取每個軸的θ、R、W0和M2的值。ISO標準還提出了一些關于直徑測量的額外規則(特別是當使用ccd或cmos陣列傳感器時):  

-用直徑的三倍作為計算區域。  

-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

功率不穩定度

束散角

出口光束直徑、束寬

光束質量因子

束腰直徑、寬度

光束指向不穩定度

偏振度

閾值

電光轉換效率

脈沖寬度（準連續型和脈沖型）

脈沖重復頻率（準連續型和脈沖型）

輸出能量（準連續型和脈沖型）

輸出能量不穩定度（準連續型和脈沖型）

平均功率（準連續型和脈沖型） 

 半導體激光器

中心波長

峰值波長

譜寬度

輸出光功率

平均功率（準連續型和脈沖型）

峰值功率（準連續型和脈沖型）

脈沖能量（準連續型和脈沖型）

工作電壓

工作電流

閾值電流

斜率效率

脈沖寬度（準連續型和脈沖型）

脈沖重復頻率（準連續型和脈沖型）

電光轉換效率

溫度-波長漂移系數

偏振度

光束寬度

光強分布

輸出功率不穩定度

輸出能量不穩定度（準連續型和脈沖型）

占空比

邊模抑制比

截止頻率 

工業激光器

輸出功率

平均輸出功率（準連續型和脈沖型）

輸出功率不穩定度

光束質量因子

波長

半峰全寬

脈沖寬度（準連續型和脈沖型）

電光轉換效率

光束直徑

脈沖重復頻率（準連續型和脈沖型）

單脈沖能量（準連續型和脈沖型）

脈沖寬度（準連續型和脈沖型）

脈沖重復頻率（準連續型和脈沖型）

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”方法用于計算無規則光束的困難，能用于計算  

無規則的和光束質量極差的光束的束寬。  

4、二階矩定義法  

直角坐標系中，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z按雙曲線  

規律向外擴展，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直性越好。  

發散角：  

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

方法1：  

使用一個已知焦距的透鏡測量遠場激光束發散度，顯然完全發散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，就很容易實現光束發散度的測量。  

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。