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光束質(zhì)量分析儀在激光行業(yè)的應(yīng)用
2015-09-10
在醫(yī)學(xué)、工業(yè)生產(chǎn)、激光打印、激光打標(biāo)、激光焊接、激光切割以及光纖通信等多種激光應(yīng)用領(lǐng)域，光束質(zhì)量分析為激光器的有效使用提供了很多有價(jià)值的信息。在實(shí)際測量中，光束分析應(yīng)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(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。光束輪廓在搭建激光打印機(jī)和光纖對準(zhǔn)的光學(xué)系統(tǒng)時(shí)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。
光束分析儀的應(yīng)用領(lǐng)域
1. 激光制造業(yè)
對于傳統(tǒng)的激光器制造商而言，光束質(zhì)量分析已成為標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。均勻散射激光束的品質(zhì)由以下參數(shù)定義：衍射極限倍數(shù)因子M2，或它的倒數(shù)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(jià)不同應(yīng)用領(lǐng)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(tǒng)的衍射極限相關(guān)，和激光本身沒有任何關(guān)系。
2. 醫(yī)學(xué)/生物技術(shù)領(lǐng)域
在醫(yī)學(xué)和生物技術(shù)行業(yè)，激光的應(yīng)用非常廣泛，從光手術(shù)刀到讀取DNA芯片遺傳密碼的掃描儀。這些應(yīng)用都需要對激光光束進(jìn)行整形和調(diào)整。光束分析儀直接檢測光束形狀，觀測光束能否達(dá)到期望值，如果不能，就需要進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。美國FDA和國家衛(wèi)生管理機(jī)構(gòu)對醫(yī)療器械的測試有嚴(yán)格的要求。符合“生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范”（GMP）和“非臨床研究質(zhì)量管理規(guī)范”（GLP）是最根本的要求。為保證醫(yī)療設(shè)備的性能，這兩個(gè)規(guī)范都要求進(jìn)行可重復(fù)和可追蹤測試。不管是Lasik眼科手術(shù)、腹腔鏡手術(shù)中使用的光手術(shù)刀，還是其他病人護(hù)理中的激光器，可追蹤、可校準(zhǔn)的光束分析儀對維護(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這一類掃描儀進(jìn)行最后的微調(diào)。
3. 制圖和印刷工業(yè)
激光印刷工業(yè)最早利用光束分析儀來設(shè)計(jì)和制造激光打印機(jī)的核心部分——激光掃描單元（LSU）。這需要了解系統(tǒng)的光斑尺寸、陣列以及光束擺動(dòng)對激光打印機(jī)的影響，并做進(jìn)一步的改進(jìn)。激光打印機(jī)行業(yè)的市場競爭非常激烈，因此降低LSU的生產(chǎn)成本極為重要。盡管如此，每一個(gè)LSU都必須進(jìn)行調(diào)整和測試以確保正確運(yùn)行。常規(guī)的LSU測試時(shí)間大約需要20分鐘，一種新的儀器測量技術(shù)可以把測試時(shí)間減少到幾秒。LSU的生產(chǎn)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(chǔ)
條形碼掃描和光存儲(chǔ)技術(shù)利用激光光束讀寫信息。與生物掃描技術(shù)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(nèi)，條形碼讀取器需要光束的操作范圍非常長。光束的束腰區(qū)域的長度稱為瑞利范圍，就是光束直徑的 區(qū)域，這里D0稱為光腰，或稱為光束最小直徑。
光束分析儀可以直接測量和調(diào)整光束達(dá)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(chǔ)，光束通常被優(yōu)化為一個(gè)非常小的光斑。光存儲(chǔ)激光器的焦點(diǎn)非常關(guān)鍵，因?yàn)楣獍叽笮『腿鹄秶煞幢取?br />
對于比較小的光斑，發(fā)散角必須足夠大；對于發(fā)散角較小（比如長瑞利范圍、準(zhǔn)直光束）的情況，光腰值必須大。
5. 焊接和切割領(lǐng)域
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。現(xiàn)在通常所采用的處理方法是檢測瑕疵處，或者監(jiān)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最佳解決方案。首先，為了了解激光是否正常工作，需要浪費(fèi)材料和時(shí)間制造一個(gè)缺陷，有時(shí)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(chǎn)生了額外費(fèi)用，增加了廢棄和返工的可能。監(jiān)控最初的激光束的缺點(diǎn)是只檢測了激光器，而不是實(shí)際的光學(xué)系統(tǒng)，它不能告訴您下一步怎么處理半成品。通過設(shè)計(jì)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(zhì)量分析儀，就可以測量光束在真實(shí)情況下的工作狀態(tài)。它可以精確地測量在工作臺(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。 (end)
光束分析儀的應(yīng)用領(lǐng)域
1. 激光制造業(yè)
對于傳統(tǒng)的激光器制造商而言，光束質(zhì)量分析已成為標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。均勻散射激光束的品質(zhì)由以下參數(shù)定義：衍射極限倍數(shù)因子M2，或它的倒數(shù)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(jià)不同應(yīng)用領(lǐng)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(tǒng)的衍射極限相關(guān)，和激光本身沒有任何關(guān)系。
激光二極管和垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器（VCSEL）都是半導(dǎo)體激光器，有著比近軸光束更大的發(fā)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(shù)包括：功率輸入-光強(qiáng)輸出曲線（稱為LI或LIV曲線）、光束的光譜以及發(fā)散角。由于半導(dǎo)體激光器的發(fā)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(fā)散特性，能夠得出光學(xué)設(shè)計(jì)中設(shè)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(chǎn)工藝中的任何瑕疵。二極管激光器的波長由晶格的物理結(jié)構(gòu)以及它怎么構(gòu)成激光腔決定，因此，二極管激光器系統(tǒng)不僅需要測量LI曲線和發(fā)散角輪廓，還需要進(jìn)行光譜測試。
2. 醫(yī)學(xué)/生物技術(shù)領(lǐng)域
在醫(yī)學(xué)和生物技術(shù)行業(yè)，激光的應(yīng)用非常廣泛，從光手術(shù)刀到讀取DNA芯片遺傳密碼的掃描儀。這些應(yīng)用都需要對激光光束進(jìn)行整形和調(diào)整。光束分析儀直接檢測光束形狀，觀測光束能否達(dá)到期望值，如果不能，就需要進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。美國FDA和國家衛(wèi)生管理機(jī)構(gòu)對醫(yī)療器械的測試有嚴(yán)格的要求。符合“生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范”（GMP）和“非臨床研究質(zhì)量管理規(guī)范”（GLP）是最根本的要求。為保證醫(yī)療設(shè)備的性能，這兩個(gè)規(guī)范都要求進(jìn)行可重復(fù)和可追蹤測試。不管是Lasik眼科手術(shù)、腹腔鏡手術(shù)中使用的光手術(shù)刀，還是其他病人護(hù)理中的激光器，可追蹤、可校準(zhǔn)的光束分析儀對維護(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這一類掃描儀進(jìn)行最后的微調(diào)。
3. 制圖和印刷工業(yè)
激光印刷工業(yè)最早利用光束分析儀來設(shè)計(jì)和制造激光打印機(jī)的核心部分——激光掃描單元（LSU）。這需要了解系統(tǒng)的光斑尺寸、陣列以及光束擺動(dòng)對激光打印機(jī)的影響，并做進(jìn)一步的改進(jìn)。激光打印機(jī)行業(yè)的市場競爭非常激烈，因此降低LSU的生產(chǎn)成本極為重要。盡管如此，每一個(gè)LSU都必須進(jìn)行調(diào)整和測試以確保正確運(yùn)行。常規(guī)的LSU測試時(shí)間大約需要20分鐘，一種新的儀器測量技術(shù)可以把測試時(shí)間減少到幾秒。LSU的生產(chǎn)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(chǔ)
條形碼掃描和光存儲(chǔ)技術(shù)利用激光光束讀寫信息。與生物掃描技術(shù)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(nèi)，條形碼讀取器需要光束的操作范圍非常長。光束的束腰區(qū)域的長度稱為瑞利范圍，就是光束直徑的 區(qū)域，這里D0稱為光腰，或稱為光束最小直徑。
光束分析儀可以直接測量和調(diào)整光束達(dá)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(chǔ)，光束通常被優(yōu)化為一個(gè)非常小的光斑。光存儲(chǔ)激光器的焦點(diǎn)非常關(guān)鍵，因?yàn)楣獍叽笮『腿鹄秶煞幢取?br />
對于比較小的光斑，發(fā)散角必須足夠大；對于發(fā)散角較小（比如長瑞利范圍、準(zhǔn)直光束）的情況，光腰值必須大。
5. 焊接和切割領(lǐng)域
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。現(xiàn)在通常所采用的處理方法是檢測瑕疵處，或者監(jiān)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最佳解決方案。首先，為了了解激光是否正常工作，需要浪費(fèi)材料和時(shí)間制造一個(gè)缺陷，有時(shí)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(chǎn)生了額外費(fèi)用，增加了廢棄和返工的可能。監(jiān)控最初的激光束的缺點(diǎn)是只檢測了激光器，而不是實(shí)際的光學(xué)系統(tǒng)，它不能告訴您下一步怎么處理半成品。通過設(shè)計(jì)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(zhì)量分析儀，就可以測量光束在真實(shí)情況下的工作狀態(tài)。它可以精確地測量在工作臺(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。 (end)
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