激光束特性监测技术优化方法

表10.1给出了加工过程中涉及的激光束特性：激光束功率、光斑直径、模式及定位。用阻挡激光束的方法可以测量这些特性，或者为了在线监测用扫描取样器照相的方法，或者用镜面反射采集声信号的方法。

10.2.1.1 阻挡激光束的监测器

激光束不用时可采用一些完全阻挡的技术测量其功率。比如，大多数激光器都装有一个光束收集器，同时作量热计。图10.5给出了一个锥形光束收集器。功率测量像流水的升温。图10.6给出了测量功率的绝对黑体量热计。这种简单装置非常容易移动，需要一个透镜将激光束聚焦在一个球形吸收腔内，腔的内壁通常涂为黑色。对于透镜的需求通常不应该是一个缺点，因为最有趣的是功率在其使用的透镜后获得。需要注意的是所有光束必须全部进入量热计，功率可以从热偶输出的表格记录读数上读出。量热计的加热速率方程为

P=MC（dT/dt）加热-MC（dT/dt）冷却如果量热计是用铜制作的，则其比热C是已知的，为4300 J/kg·℃。量热计的质量M可以称量获得。加热和冷却斜率可从记录表格的读数读出。通常有一些奇怪的现象是激光和工件之间的功率通过镜面和透镜会损失一些（每个光学元件约1%～2%）。这样的装置不适用在线感测，而另一些机器只适用这些功率感测方法，并使激光长时间工作，因此根本没办法得到监测，相信生产者会制造出稳定的产品。

图10.5 标准锥形量热计功率表/束流收集器示意图

图10.6 绝对黑体量热计示意图

偏振测量，在2.7.4节中已经讨论过偏振，它可以通过高能激光束从锥体中或旋转反射镜以接近布鲁斯特（Brewster）角的角度反射的方法测量，也可以用测量不同方向反射功率的方法测量。尽管该参数在以反光角度反射过程中是一个重要参数，但在工程应用中很少测量，然而，在将信号传输至光纤的过程中非常重要。对这些低能信号，通常采用一个旋转过滤器，如波拉德板（分子模拟线栅）。对于长光纤内的极化模式色散（PMD）的先进技术测量，采用相干干涉测量法，它可以精确测量不同波长的滞后及极化状态。目前工程上还不需要该水平的信息。

10.2.1.2 光束监测器的在线监测

表10.3列出了很多已经申请专利或者开发好的用于激光束的在线监测技术，即激光束使用过程中的监测技术。目前最为关注的技术包括扫描系统和照相系统。

表10.3 监测束流特性的已有方法

①镜面或透镜污垢。

②仅在采用束流分光镜时才使用。

扫描系统：ALL激光束分析仪（LBA）^[2]。激光束分析仪由一个通过光束快速旋转的反射钼棒组成。钼棒的反射采用图10.7a所示的两个压电探测仪测量。两个探测仪收集的信号与光束的两个同时正交通道的功率成正比关系。仪器的这种能力使它可以在约1%秒内同时收集二维的功率分布，且光束的干涉仅在0.1%之内，因此已成为激光设施内最为常用的激光测量仪器。它通常安装在激光输出窗口之后、光闸装置之前，这样即使光束没有使用也可得到监测，其分布如图10.7b所示。仪器得到的信号可在示波器上显示，也可传输至电脑进行进一步分析。信号可以获得的信息如图10.7c所示，分别为：

①总功率，根据曲线下面积的积分或者均方根（RMS）值测出。

②光束直径，在功率升高1/e²的位置处测得。

③光束漂移，根据A和B两曲线相对升高位置的差值测得。

④模式结构，根据曲线形状测得，尤其是可以与先前的模式结构对比，以检查腔失调或腔内镜面。

⑤上述性质的任何瞬时变化，相当奇怪的是一些激光器的光束存在功率变化和光束膨胀。

该仪器还可用于检查光束的焦点，但不能进行在线检测。Lim和Steen^[17]给出了LBA信号的详细分析方法。

图10.7 激光束流分析仪（LBA）(www.xing528.com)

a）同时获得两个正交线路的原理 b）光束连续扫描结构 c）示波器输出示例

仪器仅作功率测量只是完成一半的功能。光束的直径更重要。例如，切割和熔化能力与（P/vD）有关，焊缝熔深与P/vD²有关，硬化深度与P/（vD）^1/2有关。因此，仪器功能的多用性及小光束干涉是其主要强势。

UM测绘仪。O’Neill和Sparkes^[18]对ALL LBA进行了改进。他们采用了ALL LBA的基本原理，但重新设计了光学系统和信号分析系统，将其制成了一个更小的机器，可以插入光路，除旋转棒闪过光束时外，与光束没有任何干涉。他们将其称作“UM测绘仪”，它仅在需要获得光束数据时才工作，可以给出光束直径、位置和x-y功率剖面的瞬时数据。该类数据更为有趣之处在于它可对一段时间内的数据进行存储和比较，因此可以测量数月之内模式的稳定性或者加工过程中光束的漂移。由于飞管内的烟气或大支架内光束路径的变化，光束的漂移已经受到关注。对于所有正在安装的可控镜面，并用该类光束测绘仪控制的大支架，后一问题都将出现。Sparkes^[19]在其博士工作中对该问题进行了研究。

Promotec激光显示器或PRIME聚焦监测器。这些仪器从一个旋转的光圈中收集光束数据，旋转光圈直径约为23μm，约2倍波长，它将信号通过一个波导管（中空的针）反射到中央收集器，如图10.8所示。测绘完整的光束需要一个横向移动系统——这和所有的扫描仪一样，但与旋转反射杆收集的x-y信号相比，通过一个简单的光圈在任意时刻都只能收集一个数据。一个完整的剖析通常需要大约5s。它虽是一个在线控制仪器，但更像一个诊断工具。它可以用于测量低功率时的聚焦光斑尺寸，通过脉冲同步扫描^[20]，已用于测量脉冲光束的剖面。在Feurshbach^[20]的论文中，将Promotec光斑尺寸与Kapton的烧伤印痕进行了比较，表明Kapton的烧伤印痕比光斑尺寸高约30%，光束分散较大。这是质疑光束直径定义的一个不同之处。

照相机为基础的束流剖面监测仪^[20-23]。以照相机为基础的系统采用电荷耦合器件（CCD）、红外线（通常是热电传感器系统）、或互补的金属氧化物半导体（CMOS）照相机，可以提供全束流剖面和位置的几乎是瞬时图像的可能性。这些数据以每秒48帧的速度进行收集，若采用CCD或CMOS系统还会更快。这看起来似乎是一个理想的束流剖面监测仪，但存在三个问题：

①在不破坏照相机或束流剖面图像的情况下如何获得一个可靠的样品。

②在束流剖面图像不发生畸变的情况下如何将信号尺寸转变成照相中探测仪阵列的尺寸（通常为12.5mm²）。

③如何以具有竞争性的价格达到这些目标。

图10.8 小孔束流扫描取样器^[23]

照相机系统是以压电陶瓷阵列、CCD或CMOS传感器为基础的，它们将落在其上的红外能转变为电信号或带电区域，然后进行电询问。该信号经数字化处理后传送到计算机进行分析和显示。通常具有很好空间分辨率，可以识别出大约16384个独立的强度值。这使照相机系统大大优于烧伤印痕和扫描系统中的单个束流剖面。然而，上述问题尚需解决。

第一个问题，即衰减问题，它不是简单明了的问题。选择方案包括光束分光镜、衍射光栅或漫反射面。CCD、CMOS或压电阵列仅能承受几瓦入射辐照强度。CCD和CMOS尤为敏感；经计算，它们在可见光范围内（400～700nm）的每个光子量子效率约为收集电子的50%，若采用抗反射涂层或特殊设计^[23]后，可增加到90%。因此，如果考虑光束分光镜问题，对于分析的2～10kW的光束而言，即使99.7%的分光镜也不会大大减少束流。可能需要两个分光镜才能充分减小强度，需要一个望远镜将图像减小至阵列尺寸。这意味着所有仪器中必须具有极好的镜片，因此这并不是一个吸引人的方法。然而一些仪器仍然采用这种方法。

如果考虑衍射光栅，对于现在使用的直径为70mm的束流来说，需要一个很大的光栅。这些光栅通常是采用粘在平表面上的聚合物树脂光刻后再镀金的方法制备的。这不适于高能激光束流，因此需要进行特殊设计，但又会带来成本问题。但也有例外，Armstrong光学公司^[24]已采用单点金刚石加工的反射镜，通过观察表明，这些反射镜具有非常弱的衍射图像，可以用于观察束流。他们采用相对低廉的四分仪热电偶作为传感器，可以给出束流位置、功率及模式的在线数据，其衍射角可以调节以适合任何光学系统。图10.9给出一个基于该原理的灵巧装置，可以进行分光，可同时监测束流和进行加工。

图10.9 衍射反射镜的束流取样，可从两个束流和过程采集信号^[24]

在Spiricon的最新PYROCAMⅢ中已经采用了漫反射镜面。实质上，带有聚焦光学元件的相机可将在任何束流入射点的漫反射成像引导到反射镜。这不仅可获得正确的强度数据，还可以获得尺寸。如果存在图像畸变的话，也仅源自传导反射镜和聚焦光学元件的漫反射的不规则性。该装置全是非侵入式，在束流工作时也可使用，但存在影响读数的背反射光时会给出报警。

当以后追求清晰的目标时，如束流特性，通常会产生巨大的吸引力。上面给出的这类装置可以给出要求的所有数据，这打破了询问首先需要什么数据的惯例。如第2章中所讲，通过光学元件的大多数束流特性可以描述为λM²（见2.8.1.1节）。因此需要解决的大多数问题是M²以及束流直径和束流发散。Dearden等人^[22]开发了一种能够在线测量M²的照相技术，其结构如图10.10所示。采用束流分光镜和衰减板可以得到衰减量（这种情况下漫反射不会工作，这是因为只有在沿束流路径的距离已知时才能测量束流结构，漫反射也只有在反射镜精确移动时才能使用）。束流品质M²与位于束流路径上的光学元件没有关系，因此束流取样元件上的值与工作束流的值相同。根据第2章2.8节，显示=4λ/π=常数。因此测量出发散值，根据激光已知的D₀，可以推出M²。这符合ISO 11146^[25]标准。在5个设置点上测量束流的总时间为5min。图10.11给出了以脉冲模式工作的JK704 TR Nd-YAG激光器的一些结果，它描述的是束流聚焦能力随功率的变化。

图10.10 用于测量M²-YAG：MAX^[22]的光束质量的示意图

图10.11 M²随脉冲激光的平均功率与连续输入激光的变化关系

PRIMES GmbH^[23]已经开发出CMOS摄像机显微镜，用以解决极高强度水平下短波辐射时的超短脉冲问题。它依赖于大量的衰减，尽管分辨率较小，但速度比CCD技术快。对于非常短的脉冲，采用了框架抓取技术，通过该技术可抓取图像并作为带电阵列保存，随后可以进行电询问。