Luigi Argenti, Andrea Brinciotti, Flavio Ferretti - Laserpoint s.r.l.- Vimodrone –Italy

高亮度激光測量帶來的挑戰(zhàn)

高功率激光已經(jīng)成為各種激光生產(chǎn)加工中的工具，無論是激光切割，還是激光焊接，甚至是軍事設(shè)備中都有激光器。從上世紀(jì)九十年代以來，各種高功率激光器應(yīng)用越來越廣泛，從CO2激光到碟片激光再到光纖激光，激光市場呈指數(shù)增長。相對于傳統(tǒng)的激光器，高功率激光可以輸出幾千瓦的功率，再加上光束質(zhì)量高的特點(diǎn)，使其可以聚焦成非常小的光斑。在促進(jìn)激光高速發(fā)展的各種因素中，優(yōu)異的光束質(zhì)量比高功率更重要。

通常，激光光束質(zhì)量定義為Beam Parameter Product (BPP)，或者更通俗的說就是M²。光束發(fā)散角和束腰的乘積BPP表征了該光束可以聚焦成多小的光斑。實(shí)際光束的BPP和同一波長下理想高斯光束的BPP比值就稱為M²。這個(gè)光束質(zhì)量的參數(shù)和波長有關(guān)。簡單的說，更好的光束質(zhì)量（M²值趨于1或理想高斯光束）意味著能達(dá)到更高的激光功率密度(W/cm²)，影響加工成本，加工速度以及加工質(zhì)量，進(jìn)而帶來新的技術(shù)挑戰(zhàn)。

“亮度（brightness）”的概念是用來同時(shí)表述輸出功率和光束質(zhì)量的，通常定義它為單位面積，單位立體角(W/(m²_*sr)內(nèi)的輸出功率。高亮度意味著小的固定角度內(nèi)高的功率密度。光纖激光和碟片激光都屬于我們通常所說的高亮度激光。無論是在激光輸出端還是在加工端對這些激光進(jìn)行操作，高功率和高的功率密度的特點(diǎn)都不能忽視。因?yàn)樗鼈儠硪韵聨讉€(gè)方面的問題：

? 光學(xué)元件必須具有高的損壞閾值以及低的熱透鏡形變。

? 激光安全：波長越短（通常在1070nm附近），對人眼來說越危險(xiǎn)。

? 激光的運(yùn)動和控制系統(tǒng)（加速度，方向等）必須擁有高的運(yùn)行速度。

? 激光參數(shù)的測量；特別是激光功率的測量尤為重要。工業(yè)應(yīng)用的激光功率正在持續(xù)攀升，萬瓦級的激光應(yīng)用現(xiàn)在已經(jīng)非常普遍了。即使在這種情況下，也必須保證測量的準(zhǔn)確度。

高功率和高亮度激光測量設(shè)備

下一代的高功率工業(yè)和激光熱電探測器都要求承受超過幾KW/cm²的功率密度。這樣，無論對于散熱還是對于材料的硬度來說，都是一項(xiàng)挑戰(zhàn)?；跓崃坑?jì)和熱電堆的功率計(jì)毫無爭議的被認(rèn)為是測量高功率激光功率的設(shè)備。這兩種功率計(jì)是根據(jù)吸收激光輻射所產(chǎn)生的熱量引起的溫度差來進(jìn)行測量的。測量時(shí)直接測量冷卻液中的溫度或者測量熱電堆產(chǎn)生的電勢差（電壓）。而設(shè)備輸出電壓信號和激光器的功率有對應(yīng)關(guān)系。再詳細(xì)點(diǎn)說，適合測量高功率激光功率的儀器包括：

A）持續(xù)流熱量計(jì)的功率計(jì)：在這種一起種，激光輻射作為持續(xù)穩(wěn)定的熱流被熱沉吸收。熱流和吸收的激光輻射有一一對應(yīng)關(guān)系，并且可以通過測量冷卻液（通常是誰）在熱量計(jì)輸入端和輸出端的溫差(DT)來計(jì)算。

激光功率可以根據(jù)下面的公式來計(jì)算。

P = Cp *f *DT /k_c

P= 激光功率 (J/s);

Cp= 液體熱容 (J/kg °C) ;

f= 液體流量 (kg/s)

DT= 溫差 (°C)

k_c <1 = 校準(zhǔn)系數(shù) (和吸收體有關(guān))

持續(xù)流熱量計(jì)非常精密，對特別高功率的測量（萬瓦級以上）來說是非常常規(guī)的儀器。

Fig1- 持續(xù)流熱量計(jì)示意圖

b）基于熱電堆的功率計(jì)：在這種儀器中，激光輻射被一層特殊材料吸收，并轉(zhuǎn)化為熱量，進(jìn)而通過Seebeck效應(yīng)，被一個(gè)熱電偶陣列轉(zhuǎn)化為電壓信號。電動勢（電壓）正比于吸熱區(qū)（熱區(qū)）和熱沉（冷區(qū)）的溫差。

這樣，熱吸收引起的熱量梯度就和激光功率有了一一對應(yīng)的關(guān)系。

簡單來說，熱電堆其實(shí)就是熱電偶陣列熱端和冷端結(jié)合起來產(chǎn)生總的電壓信號。根據(jù)熱流方式的不同，熱電堆可分為兩類：軸向和徑向。在徑向熱電堆中，激光器打在傳感器的中間區(qū)域，從而被吸收，進(jìn)行功率測量。

Fig2- 徑向熱電堆: 在高功率測量中，這種結(jié)構(gòu)規(guī)

新的挑戰(zhàn)：高硬度的激光吸收體以及導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

一、測量的可靠性以及儀器的耐久性由導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)決定

高亮度激光帶來的挑戰(zhàn)是，熱電測量設(shè)備的穩(wěn)定度，測量可靠性以及設(shè)備持久性必須顯著提高。熱吸收層是關(guān)鍵組件，所有用于熱吸收層的材料在設(shè)計(jì)時(shí)必須經(jīng)過嚴(yán)格分析。

我們基于熱電堆的激光功率計(jì)主要有三個(gè)部分組成：吸收層、傳感盤基底、熱沉；同樣，對于熱量計(jì)也可以分成兩個(gè)部分：吸收層、流體及散熱組件。對于這兩種儀器，熱擴(kuò)散系數(shù)都是必須仔細(xì)優(yōu)化的重要參數(shù)。熱擴(kuò)散系數(shù)是表征材料熱傳輸相對于熱儲存的能力的物理量。通過優(yōu)化導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)熱擴(kuò)散系數(shù)的。非常薄的吸收層也可以在保證低熱容的同時(shí)還有高的吸收系數(shù)。對所有熱電探測器（無論是水冷還是風(fēng)冷）來說，基質(zhì)和熱沉的連接處是關(guān)鍵。通過優(yōu)化水流通道和散熱片的幾何結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)熱擴(kuò)散系數(shù)。探測器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須考慮到所有部件的熱應(yīng)力以及形變，包括吸收層，基質(zhì)以及熱沉。事實(shí)上，不恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)將導(dǎo)致散熱能力下降，而熱沉吸熱能力的下降將導(dǎo)致吸收層損壞閾值的降低。

二、激光吸收層的重要性

在熱量計(jì)和熱電堆探頭中，高阻的吸收體是關(guān)鍵組件。優(yōu)異的性能可以確保設(shè)備能準(zhǔn)確，穩(wěn)定，可靠的工作。在熱電堆探測器中，吸收層直接沉積在基質(zhì)上，熱電偶陣列也和基質(zhì)集成在一起。而熱量計(jì)的吸收層直接覆蓋在水冷單元上，作為熱交換器。

在設(shè)計(jì)一個(gè)新的功率計(jì)的時(shí)候，必須選擇一種合適的材料作為吸收體，必須分析吸收材料的幾個(gè)重要參數(shù)和性能。首先，影響損壞閾值的化學(xué)，物理以及結(jié)構(gòu)參數(shù)都必須分析測試。對于不同的廠家，不同的吸收材料，這些參數(shù)都各不相同，因?yàn)樗麄兏髯远加凶约旱摹芭浞健?。就算各有不同，但目?biāo)是一致的，那就是提供高損壞閾值，高阻抗的吸收體。損壞閾值的定義是超過某個(gè)功率密度(W/cm²)將導(dǎo)致功率測量發(fā)生>1%的變化的這個(gè)功率密度值。通常情況下，將造成化學(xué)和物理性質(zhì)不可逆的變化。

在這些參數(shù)中，材料的熱熔點(diǎn)和導(dǎo)熱系數(shù)(W/m _*°K)必須優(yōu)先考慮。材料在不同的溫度下必須保持性質(zhì)一致。首先，吸收層性能不能退化或因?yàn)闊嵝巫儗?dǎo)致它從基質(zhì)前剝離：這種情況在細(xì)高斯光束入射或者局部受熱的時(shí)候又可能發(fā)生。如果幾千瓦激光入射以后，材料溫度也能保持小于250°C，就說明選擇的材料合適，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也比較合理。如果是脈沖激光器，脈沖寬度也將影響損壞閾值。脈沖寬度會不同會導(dǎo)致兩種不同的損壞過程：對于非常短的脈沖（<100µs），散熱的時(shí)間比脈沖寬度長得多，局部的激光能量將使吸收層的原子剝離；在另一個(gè)情況下，脈沖寬度足夠長，比散熱的時(shí)間還要長（>10ms），造成損壞的原因主要是熱效應(yīng)。

FIG. 3- 兩種高功率激光吸收材料在不同脈寬下的損壞閾值

需要考慮的另一個(gè)重要的材料參數(shù)是激光波長范圍內(nèi)的吸收系數(shù)，它有以下特點(diǎn)：

· 吸收系數(shù)必須足夠高（通常>70%），以確保薄的材料能夠吸收到足夠的激光輻射，同時(shí)也意味著對于任意波長的反射率；

· 對于激光波長范圍夠覆蓋最寬的響應(yīng)范圍；

· 對于任何入射角，都能保持的反射率；

· 以上的特性都必須能經(jīng)受時(shí)間的考驗(yàn)，也就是儀器的壽命必須足夠長（不考慮人為使用錯(cuò)誤）；不會因?yàn)椴牧侠匣蛘哐趸葐栴}導(dǎo)致測量結(jié)果有太大的影響。

通常，那些可用于高功率和高亮度測量的要求的材料都有一個(gè)或者幾個(gè)性能不符合膜層的要求。因此，生產(chǎn)廠家在選擇合適材料的時(shí)候需要一些技巧。而Laserpoint的超硬膜層Super Hard Coating (SHC)從各技術(shù)層面上都符合膜層的需求。高效，高速的熱傳遞能力使其可以承受高功率密度。利用這個(gè)膜層，Laserpoint推出了兩款適合高功率應(yīng)用的產(chǎn)品。

Fig.4- Laserpoint’s SHC吸收層和其他商品化的高功率吸收層損壞閾值的對比

的技術(shù): 12kW的 Laserpoint's 熱量計(jì)以及1200W風(fēng)冷熱電堆探頭

最后，讓我們介紹兩款可測量目前功率密度的新產(chǎn)品，他們滿足本文之前所提出的功率測量的技術(shù)要求。這兩款功率計(jì)都采用SHC作為吸收體，這是它們（尤其是熱量計(jì)）在保持小體積的同時(shí)，得到更高的損壞閾值，從而能夠測量更高的功率測量。

幾年前，Laserpoint針對光纖激光市場實(shí)現(xiàn)600瓦風(fēng)冷探頭（短時(shí)間可測量850W）。而今天，又實(shí)現(xiàn)了1200W風(fēng)冷的探頭(Mod. A-1200-D60-SHC)。該產(chǎn)品無論在熱處理，膜層材料，結(jié)構(gòu)優(yōu)化等各個(gè)方面都處于技術(shù)。它的全量程線性度達(dá)到±1.5%，符合±3%的PTB/NIST校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)?？趶綖?/span>60mm，尺寸為140Lx140Px140Hmm，重4.4Kg。

Fig. 5- Mod.A-1200-D60-SHC

Fig.6 - Mod.A-1200-D60-SHC: 1200W下吸收層表面的熱成像- 膜層溫度為200°C ( IPG fiberlaser YLS 2000)

Fig. 7- Mod.A-1200-D60-SHC: Linearity

除了1200W風(fēng)冷熱電堆探頭，Laser Point還推薦高達(dá)12KW的熱量計(jì)。公司材料研發(fā)技術(shù)強(qiáng)大，加上專業(yè)的導(dǎo)熱設(shè)計(jì)，研制出創(chuàng)新產(chǎn)品W-12K-D55-SHC-USB熱量計(jì)。該熱量計(jì)集成度高，相較于同級別其他類型的產(chǎn)品重量更輕，吸收腔內(nèi)也不需要再集成擴(kuò)束單元。該探測器全量程下線性度為±1.5 %，PTB/NIST校準(zhǔn)準(zhǔn)確度為±5%，口徑為55mm，三維尺寸為L140xP200xH180mm，重6Kg。

Fig. 8- Mod. W-12K-D55-SHC-USB

Fig.9- Mod. W-12K-D55-SHC-USB:10 KW下吸收層表面的熱成像- 膜層溫度為113 °C ( IPG fiberlaser YLS 10000)

Fig. 10- W-12K-D55-SHC-USB:Linearity??