激光产业发展迅速,与高端制造、医疗诊断、信息显示、国防安全等领域的应用密切相关,面向激光产业的计量从传统的激光辐射度(功率和能量)不断发展,形成了涵盖时域、空域、频域多项特性参数的全面计量支撑能力。
激光产业计量
激光产业中,对时域、空域、频域多项特性参数的全面计量。
- 英文名称
- metrology for laser industry
- 所属学科
- 仪器科学与技术
激光时域特性参数主要包括脉冲波形、脉冲宽度、峰值功率、脉冲重复率、功率稳定性等。
激光时域参数大部分涉及脉冲波形的测量,需要配备响应速度足够快的探测器。对于脉冲宽度大于1纳秒的激光脉冲,一般采用高速光电二极管结合宽带示波器进行测量,对于脉冲宽度小于1纳秒的激光脉冲,使用条纹照相机或二次谐波强度相关法等测量技术进行测量。
激光时域特性参数中最为常用的参数是峰值功率,峰值功率的测量一般需要同时测量脉冲激光能量和脉冲波形,通过脉冲能量与脉冲峰值信号的积除以脉冲波形的时域积分得到,工程应用上对于脉冲波形近似对称分布的情形,有时以脉冲功率(脉冲能量与脉冲宽度之商)代替峰值功率。
激光空域特性参数包括激光光束宽度、束散角、横模式、光束品质等。最主要的参数是光束宽度,光束宽度有多种测量方法,最常用的测量方法是采用阵列探测器测量光束在垂直于其传播方向的横截面内的强度分布函数,再通过光束宽度的定义(如二阶距定义、环围能量定义等)计算得到。对于高功率激光,采用较多的测量方法是移动刀口法,即以一个置于固定的激光功率探测器前的移动刀口在垂直于光束传播方向的横截面内逐渐切割遮挡光束,同时记录激光功率探测器的响应随刀口移动位置的变化,功率探测器响应为峰值响应(刀口遮挡光束的情形)的84%和16%时对应的刀口位置之差即为刀口扫描方向上的光束宽度。
激光束散角表征激光束传播过程中光束的发散特性,束散角越小则光束的指向性越好。束散角的基本测量方法在光束传播的远场两个不同位置分别测量光束宽度,两个光束宽度测量值之差与两个测量位置间的距离的商即为光束的远场束散角。对于高斯光束,通常在光束中垂直于激光传播方向放置一个长焦距透镜,测量焦平面位置的光束宽度,并除以焦距,即得到束散角。
光束品质(又称光束质量)的评价方法较多,常用的包括斯特列尔比、环围能量比、M2因子或其倒数K因子(光束传输因子)等,各种光束质量的定义对应于不同的应用目的,所反映光束质量的侧重点不同,尚没有统一的评价方法。
激光频域特性参数包括波长、线宽、频率稳定性和相干性等参数。其中最常见的参数是激光波长和线宽。激光波长测量一般使用光谱仪和波长计。激光波长计或光谱仪的定标一般采用各种元素灯,高精度的定标可采用稳频激光。也可用差拍和外差的方法测量激光波长。激光谱线宽度测量必须使用高分辨率的光谱仪和干涉仪。
中国的激光特性计量技术以现实需求为发展的驱动力,并服务于需求,为解决激光技术在工业、科研、国防、医疗、生活娱乐等领域的发展和进步提供坚实的技术和量值保障。如20世纪90年代以后,激光技术的发展从单纯追求更高输出功率转向更加重视激光器输出光束的品质,计量部门及时根据市场的需求,建立了激光束空域参数计量标准装置。