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快速可靠的高功率激光测量解决方案

快速可靠的高功率激光测量解决方案

 

   激光功率测量可以采用不同类型的传感器。

   激光光功率的测量是经由传感器将光功率转换为可测量的电流或电压来完成。传感器的物理原理将会最终决定仪器的功能,不同的传感器有其不同特点及应用领域。下面来看两种常见传感器的特点:

 

传感器类型 物理原理 描述 特点
光电二极管 产生电子-空穴

光子被半导体材料吸收,进而产生电子-空穴对。

外电路连接到设备接收电流。

产生电流的大小与所吸收的光功率成比例。

· 灵敏度高         · 易饱和

·传感器尺寸受限

· 由于材料限制测量波长受限(UV-NIR波段)

·与衰减器和积分球结合扩展功率测量范围,增加成本

热电堆 塞贝克效应(热电效应)

一种设备由两种金属通过两个结点连接构成。

当两种金属之间有温差时,两个结点之间就会产生电压

这就是所谓的“热电偶”。

·低灵敏度         ·涂层易损伤

·响应速度慢,通常>1 秒

·传感器可制成大口径

·易受周围环境影响(如气流,温度变化等)

 

   在通信领域光束快速传播要求测量快速准确;激光精密激光切割和焊接等应用中,激光功率波动会对产品加工品质造成影响,使得功率稳定性成为一个重要指标。因此,快速反馈功率变化情况的工具显得尤为重要。

   积分球弥补了上述光电二极管和热电堆的缺陷。积分球为无源器件,是一个有着几个开口(端口)的空心球体,内部均匀涂布聚合物或者金属涂层。开口用于激光束的输入和输出。

积分球的工作原理

Artifex公司配有光电二极管和光纤接口的积分球

   

    空心球体的内表面由高反材料制成,可对入射光进行高度散射,入射激光束会经历多次强漫反射,最后被均匀散射到整个球面。

    空心球体由适于250nm-2.5μm 的特殊聚合物做成。涂有硫酸钡(BaSO4)的铝制球体价格虽然便宜,但是随着时间推移颜色会发黄,所以不适于准确的激光功率测量。对于波长范围700nm-20μm 的测量,采用在金属表面镀金的方式。许多高功率激光器的光谱范围在700nm-20μm,所以,铜和铝是两种比较好的导热基底材料。

 

光电二极管固定于积分球球壁,它只接收进入积分球的部分激光功率,接收到的激光发生了以下重要改变:

     1. 功率密度完全均匀。

     2. 照射为非偏振光,即使入射辐射为偏振光。

     3. 传感器上所接受的功率已经被极大削弱。

    由此可见,积分球和光电二极管可以组合成一个激光功率传感器,它既可以像光电二极管一样反应灵敏,又可以检测相当大的功率。不同尺寸的积分球,对应不同的系统灵敏性。另外,此时的探测器不再受功率密度是否均匀和偏振的约束,也不再受入射光入射角度和入射位置的约束。

    因为光电二极管自身尺寸不是限制因素,所以积分球可以用于较大光束直径的测量。由于积分球内表面面积比其输入孔径至少大20 倍,所以其内壁接收的功率密度要远小于热电堆表面接收的功率密度。积分球内表面材料可以承受较高的功率密度,而且不会随时间推移而发生变化。

位于积分球上的其他测量端口可为进一步应用提供便利。例如:光纤接口可以用于激光光谱的同步测量。

 

应用案例

     举个例子:我们可以使用一个配有水冷系统的、内径100mm 的铜制镀金积分球,测量用于材料加工的5kW盘式激光器实时功率波动。由于该功率等级的激光会导致积分球发热,所以光电二极管未安装于积分球上。光电二极管的温度变化会导致测量的不准确。因此,通过积分球的SMA 光纤接口,使用光纤与光功率计(OPM150光功率计)连接。整个系统(积分球-光纤-OPM150 光功率计)作为一个整体进行校准,确保了准确的功率测量。光功率计通过USB 供电和控制,极大减少了线缆的使用(只需一根USB 线和两根水管)。

    通过该系统可以看到激光器在2500W 非常稳定。当功率增大到最大功率时(5000W),会看到一个约为1.5%的长期波动。

在加工舱内安装Artifex积分球和OPM150光功率计

   另外,可以看到输出功率有一个约为0.7%的快速波动。注意,这个波动在一个用热电堆探测器无法检测到时间尺度上。

 

图示是功率在2.5kW 和5kW 的测量结果

图示是功率在5kW 时的测量结果展开图

 

总结

    由积分球和光电二极管组合成的传感器呈现出了一个几近完美的激光功率测量传感器。对于高功率激光器的测量,该组合可以让操作者看到热电堆探测器无法捕捉到的激光功率波动。这些波动包括:CW 模式运行其间波动,启动激光器时的瞬态和过冲波动,以及运行其间的短时下降波动。

    另外,由于测量不受光束发散度约束,积分球可以用于基于激光应用的测量,比如:在折射物和散射物的传输。例如:积分球可以测量激光可焊接塑料材料的传输,从而确定焊接激光器的较好运行参数。

 

参考文献:

    [1]: http://bildungsserver.hamburg.de/physik/unterricht/experimente/2584640/00522-thermosaeule/

 [2]:“Pin-Photodiode”from Kirnehkrib-own work. Licenced under CC BY-SA3.0 by WikimediaCommons- https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Pin-Photodiode.png#/media/File:Pin-Photodiode.png

    [3]: L.P.Boivin, Appl. Opt. 21(5), pp 918-923, 1982

 

    德国Artifex公司成立于2006年,设计和制造工业和科研用计量检测系统如: 光功率计、跨阻抗放大器、门控积分放大器、LIV激光二极管和LED特性测试系统、积分球、激光二极管驱动器等产品,为工业激光、通信等行业提供光源检测解决方案。联合光科代理Artifex各类产品,如有需求,欢迎致电详询,我们将竭诚为您服务。

 

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