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激光测量:从长远来看,越便宜就越昂贵

激光制造网 来源:激光制造网2020-06-19 我要评论(0 )   

对于任何应用,聚焦的激光束都应符合先前定义的规格。特别是对于医疗技术而言,精确遵守参数显得尤为重要。出于法规和道德方面的原因,必须在整个价值链中对激光束进行...

对于任何应用,聚焦的激光束都应符合先前定义的规格。特别是对于医疗技术而言,精确遵守参数显得尤为重要。出于法规和道德方面的原因,必须在整个价值链中对激光束进行仔细测试:从激光源的开发到将其应用于患者,以及医疗产品的生产。限制测量设备的购买价格会很快导致隐性成本,而这些隐性成本远远高于最初的节省。


激光的测量技术基本上分为两个领域。一方面,我们借助传感器对激光束的功率或能量进行纯测量。但另一方面:基于相机或狭缝的测量方法也可以显示激光器的光束轮廓。眼前的应用应该是确定哪些参数和使用哪种技术的决定因素。比较不同测量仪器的基本功能是其准确性。在此,绝对精度(表示与真实值的偏差)与可重复性(在相同条件下,在连续测量中比较在相同条件下确定的值)之间存在区别。

功率测量——绝对精度与可重复精度

首先让我们看一下能量和功率测量。激光功率仍然是一种昂贵的商品,尽管近年来每W的价格已大幅下降。开发新的激光器时,目标是尽可能准确地达到规定的功率。功率不应太低,也不应内置太多储备,以避免不必要地增加激光源的价格。这个事实只能用能同时提供精确而可重复的结果的测量仪器来检验。在这里,价格在绝对准确性和可重复性方面都有明显的区别。功率传感器的绝对精度主要取决于其传感器技术,吸收体涂层的光学质量(例如,均匀性和光谱特性),以及校准与之匹配的程度。理想的涂层应在光谱上平坦,并在每个波长下提供相同的值。从理论上讲,将传感器校准到一个波长就足够了。然而,实际上,涂层在不同波长下的吸收行为是不同的。因此,为了获得较高的绝对精度,需要将传感器校准到几个波长。这就是MKS Instruments基于NIST或PTB认证标准的Ophir传感器(取决于传感器类型)达到的绝对精度(±3–5%)的方式。考虑到用户的实际操作条件,通过单独的OEM校准,甚至可以将该值提高多达1%,根据精确校准的Ophir传感器的测量结果。

一个重要但很少讨论的质量标准是传感器从一次测量到下一次测量的可重复性,或几种相同类型的传感器的可比性。同理,测量设备的公差越高,激光器或激光系统制造商必须内置的安全缓冲器就越多——成本很高。在高质量的Ophir传感器中,在相同的测量环境中以密耳为单位使用时,标准偏差远低于1%。例如,对于在生产过程中并行使用多个传感器的公司而言,精度差异会很快显示出来。乍一看,较便宜的解决方案通常需要较高的后续成本。例如考虑高分辨率的Ophir传感器3A:它的孔径为9.5mm,适用于10µW至3W和20µJ至2J的测量范围。在高达3W的功率范围内的市场比较表明,该传感器的购置成本高于平均市场价格。这并非没有理由:事实上,Ophir 3A使用一个传感器测量激光束,并使用另一个隐藏传感器测量外壳中的环境影响。因此,该仪器的重复精度几乎达到100%。这很快为用户带来了回报。例如,对于眼科使用的超短脉冲激光器,几乎可以消除从一个激光器到另一个激光器的系列散射。
 
图1和2:2D(底部)或3D(顶部)的光束轮廓乍一看显示光束是否偏离给定的定义。

清晰、精确地分析光束轮廓

在医疗技术中的许多应用,除了需要了解激光束的总功率或能量之外,还需要了解更多。比如要了解更多参数在起作用,例如功率分布、功率密度或焦点偏移。使用传统的CCD或CMOS相机,通过将基于相机的技术与光学组件和强大的软件智能地结合在一起,即可进行测量。在这儿,测量结果在绝对测量结果和可重复性方面也显示出明显的质量差异。除了仪器制造商选择的摄像机类型之外,所实现的软件算法和光学组件也对此产生了重大影响。高质量的基于相机的测量仪器甚至可以测量可调谐激光器,可将其从UV调整为IR——仍可提供可靠的结果。相应地,由于宽光谱范围仅需要一种测量设置,因此可以直接为用户节省成本。

还应该考虑摄像机的分辨率:如果激光系统需要特殊的光束整形,制造商必须知道光束内的能量分布。例如,如果在皮肤病等应用中需要激光束中的能量均匀分布,则相机分辨率必须相应较高。否则,根本不会显示功率峰值。

沿着整个价值链进行衡量

在医疗应用中测量激光束是毫无疑问的:从激光光源制造商到激光系统的终端用户,无论是在医疗生产中还是在患者环境中,测量整个价值链中的功率、能量(和/或)光束轮廓都是绝对必要的。选择测量仪器时绝对值得花时间去精打细算。必须考虑定量标准,包括要测量的功率和能量范围,与光束尺寸有关的孔径尺寸以及传感器的工作温度。而且,还必须考虑定性方面,因为它们会影响最终产品的质量,和对患者的治疗效果。如果您试图节省测量设备的质量,这可能意味着丧失了优化潜力,或者需要花费更多的时间和成本才能获得相同的激光束质量。


 (文稿:Christian Dini,本站编辑老王译自novuslight.com)

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激光切割、焊接、清洗、高功率、激光应用、光纤激光

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