激光搭建中关于光束直径与通光孔径的常见误解

发表时间：2023-09-13 09:40
在激光系统搭建过程中，了解光束扫描系统极其重要，光束扫描系统的通光孔径与激光器的光束直径对应好才不会造成激光功率的浪费。下面我们简单说一下这个问题，以帮助系统搭建者进行正确的计算。

  1. 关于激光和光束扫描系统的设置存在很多误解，最常见的是通光孔径应等于光束直径最大允许值。 光学元件有一个通光孔径参数，严格定义了该孔径内的光学性能。超出此范围的照射不仅会导致功率损耗，还会导致光学器件出现以下问题：


  3.      1. 由于过热导致光学元件变形
  4.      2.折射率随温度而变化（仅针对透射光学器件）
  5.      3. 涂层和基材之间产生分层
  6.      4. 产生杂散光，对系统其他组件造成损害






高斯轮廓


通常，激光器发射具有高斯轮廓的圆形光束，通过光束整形技术，可以将高斯轮廓转换为均匀轮廓（平顶光），输出光束的形状为正方形、矩形等。均匀参数的平顶光直径比较简单，而测量高斯轮廓的光束直径很大程度上取决于所遵循的方法（见下图）。用于报告高斯光束尺寸的一些不同标准包括：D4σ、10/90 或 20/80、1/e2、FWHM 和 D86等，其中1/e2 和 FWHM（全宽半高）最常使用。了解激光束轮廓和光束直径非常重要，根据其定义，即使相同的激光束也会有不同的光束直径。
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不同的光束直径


当相同的通光孔径应用于不同的光束直径时会发生什么？如下图所示，显而易见，如果激光束直径超过通光孔径，激光束的外缘部分将被削减掉。这就引出了下一个问题，对于特定的通光孔径，应该采用多大的光束直径？
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通过深入研究数学方程式，并以光束直径为1/e2的典型高斯光束为例，我们可以确保由光束削波而导致的功率损耗<1%，请参考以下公式：
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因此，入射光束直径应为：
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使用相同的计算确保<10%的功率损耗，通光孔径应至少比1/e2光束尺寸大1.07倍；如果是<5%的功率损耗，这个数值应该是1.22倍；如果是要达到<0.1%的功率损耗，应该是1.86倍。
需要注意的是，由1/e2定义的激光束直径大约是FWHM定义的直径的1.7倍，可以通过以上示例计算出相应的光束直径和通光孔径比。
在这种情况下，我们以高斯光束为例，定义FWHM下的光束直径。为确保光束削减引起的功率损耗<1%，通光孔径应为：
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光束直径的重要性


需要澄清的另一个典型误解是输入激光直径寸与通光孔径需完全相同。应用相同的公式，并假设光束尺寸由1/e2定义，可能会面临光束功率削减13.5%的风险。需要注意的是，如前所述，镜片尺寸不适配造成的功率损失不仅会导致发热、分层、烧伤涂层和杂射光，而且还会沉积到扫描头外壳的内部部件上，或被DFM镜头固定环和DFM镜头支架吸收。无论哪种情况，这都会在集成过程中对当前系统造成重大损坏，在使用高功率激光器时这一点尤其要注意。
最后一点，上述计算是建立在完全对准的假设基础上，考虑到实际过程中存在一定的校准误差，应保留一些余地。
总之，入射光束直径和通光孔径尺寸的定义是不一样的。如果搞错了就可能会导致意外的功率损失，这在集成过程中会对系统产生负面影响，比如故障甚至系统爆炸。当用户从我们这里购买激光束扫描解决方案时，我们会提供清晰的孔径信息，而激光束直径的定义应随激光器规格表一起提供。此外，激光器规格表还可能提供对准规格，比如激光输出位置和指向误差。如果未提供这些参数，请务必与激光器制造商联系并确认这些参数以保障系统达到最佳性能。


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