高功率光纖雷射量測法

日期：2020/01/06

選擇正確的方法測量大功率光纖雷射 (無論是使用CCD，狹縫式掃描還是瑞利散射)，都需要了解每種方法的優勢和局限性。
KEVIN KIRKHAM, OPHIR

光纖雷射的應用越來越廣泛，在2W - 20KW輸出功率範圍內，雷射用途持續成長，尤其在材料加工與精密應用(如3D微銑削，微切割，盲孔加工和增材製造)

據Hexa Research(註1)稱 “光纖雷射主要應用於高功率雷射切割和雷射焊接這可能歸因於光纖雷射在管材切割，平板切割，3D切割，車身焊接，和管材焊接的使用增加

2D光束分析儀可提供有關雷射光束尺寸，形狀和真圓度的詳細數據。由Ophir提供。

2010年，高功率光纖雷射的平均輸出功率約為1000W。2019年，平均功率已達6000至8000 W範圍。

隨著功率水平的提高，光纖雷射也變得越來越可靠，負擔得起且易於使用，因此已進入到更多的應用領域，包括汽車的遠端焊接以及汽車和航空零部件的3D列印，也可稱為金屬粉末增材製造。

光纖雷射受歡迎的程度反應在全球雷射的銷售數字上，預計到2019年將增長到27億美元，與本世紀初光纖雷射銷售額只有不到10億美元相比(註2)，可以說是穩步成長

無論應用在任何工業領域，每個系統都要求工作時光束品質保持一致並驗證其性能，因為加工品質往往取決於此，所以在任何情況下維持光束品質至關重要

功率密度的挑戰

隨著雷射功率增加，量測數千瓦雷射的光束品質與模態逐漸成為一項挑戰，主要原因是雷射光束的功率密度增加，鍍膜的光學元件如分光鏡等可能在損害閥值50 J / cm2（20 nS脈衝寬度）下受到損害(註3)，

儘管未鍍膜的光學元件的損傷閾值可以達到鍍膜光學元件損傷閾值10到100倍，但它們無法提供高功率光束所需的低反射率。

隨著功率水平的提高，光纖雷射也變得越來越可靠，負擔得起且易於使用，因此已進入到更多的應用領域。

許多新的雷射光束分析儀就被設計來滿足這些高功率雷射的量測需求。

狹縫掃描和針孔旋轉就是此類光束分析儀，基於狹縫與針孔的移動使雷射光透過微小的開口進行量測，開口表面反射了大部分的能量，只有一小部分能量通過狹縫

但是，就像光學元件一樣，這些方法也有局限性，高功率雷射聚焦後的超高功率密度一樣很容易損害掃描狹縫與針孔，

那麼，什麼是量測高功率雷射光束品質的最佳方法呢?

掃描狹縫式，或者CCD式光束輪廓儀以及M2測量系統仍然可以確保光纖雷射的質量。但是新的非接觸式技術，例如基於瑞利散射的光束測量系統，提供了測量這些更高功率系統的能力，而不會損壞衰減光學系統。

瑞利散射測量

基於瑞利散射的系統對光束進行正交成像，沒有任何元件接觸光束（圖1）。不會像CCD或掃描光圈那樣提供2D光束輪廓，取而代之的是聚焦光束的側視圖，

光束圖像類似於ISO移動狹縫束寬測量規範（ISO 11106-3 4.4）註4，

基於瑞利散射的系統，因為光束沒有撞擊在任何表面上，所以功率密度不再是測量雷射光束的障礙圖2。

圖1.基於瑞利散射的系統在不接觸光束的情況下對光束進行正交成像。由Ophir提供。

基於瑞利散射的光束分析儀系統間接對光束成像，而掃描狹縫或CCD的光束分析儀則直接對光束成像。直接成像需要許多的光衰減片，因為相機piexl的飽和度約為1.0 µW / cm2，而光纖激光器的功率密度可能超過10 MW / cm2，差距1兆倍。

圖2.來自聚焦光纖雷射的瑞利散射的二維模擬彩色圖像。由Ophir提供。

註1. Hexa Research (2019). Global fiber laser market is anticipated to witness significant growth by 2025, www.digitaljournal.com/pr/4151216#ixzz5gIpCnHnf.

註2. D. Belforte (2018). 2017 was a great year — for industrial lasers. Industrial Laser Solutions, www.industrial-lasers.com/articles/print/volume-33/issue-1/features/2017-was-a-great-year-for-industrial-lasers.html.

註3. R. Siew et al. (2013). Laser induced damage threshold of optical coatings, www.masbonfante.it/download/cvi/CVI_LIDT_WhitePaper_FIN.pdf.

註4. Ophir (2019). Beam width measurement as scanning slit, BeamWatch user guide, www.ophiropt.com/laser--measurement/beam-profilers/products/High-Power-Beam-Profiling/BeamWatch.

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