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浅谈光学精密测量技术

时间:2021-04-16 阅读:
在科技日新月异的当下,光学技术被广泛运用到工业的各个领域,从成像光学到机器视觉,从光学材料到显示技术,从光学照明到人造太阳,从激光制造到激光武器,从光纤通信到量子通信,都是利用光学技术和光学基本原理得以实现的先进技术。
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大千世界之所以五彩斑斓,色彩分明,是因为有光的存在。由此可见,光学与我们每个人的生活有着密切的联系。而在科技日新月异的当下,光学技术更是被广泛运用到工业的各个领域,从成像光学到机器视觉,从光学材料到显示技术,从光学照明到人造太阳,从激光制造到激光武器,从光纤通信到量子通信,都是利用光学技术和光学基本原理得以实现的先进技术。我们杰普特光学测试组经过多年的刻苦钻研和经验的累积,已经在光电测量领域光具有较强的技术实力,并且已经运用于实际的产品中。在此,我简单地介绍一下我们团队在光电测量方面的技术优势,让大家领略光学的魅力,领会公司的愿景“成为全球领先的激光器及智能装备解决方案供应商”。

自动对准技术

目前光电技术得到广泛应用,对于光束的空间传输提出了很高的要求,单模光纤传输因其强抗干扰性,高安全性和空间模式不变的特性,正得到了广泛应用。现有的空间光束耦合到单模光纤的方法由于受机械运动,光源安装工艺以及不可克服的环境振动和热噪声的影响,每次耦合都需要人工进行手动调节,而人工调节精度低,调节效率较低。针对当前存在的技术问题,我们团队开发了一种空间光快速,自动和高效耦合到单模光纤的自动化设备,测试系统如图1所示。此设备通过模拟人工调节的步骤和方法,利用视觉精确定位技术和精密运动控制技术,实现了对激光光源自动耦合至单模光纤。该技术特别适合对激光光源的单色性和相干性等特性的检测与分析,图2所示的是MZI干涉仪对850nm激光光源测量的结果,该技术在VCSEL检测领域具有比较广泛的应用前景。

 

图1:空间光-单模光纤自动耦合系统

图2: 850nm激光光源MZI干涉信号

光斑分析和测量技术

光斑测量与激光技术是紧密相关的,在激光器行业有着非常广泛的运用,激光光斑测量是评价激光光束质量的主要手段,是指导激光设计,制造和装配的重要依据。评价激光光束质量的指标主要涉及这些方面:第一,光束的发散角和倾斜度。发散角是用来衡量光束从束腰向外发散的速度,可以用来表征激光的准直性能。光束倾斜度是表征光束偏离出光面垂轴方向的程度,图3所示为表征激光光束的常见参数。第二,光斑尺寸。测量光斑不同径向的直径大小,表征光斑的尺寸,可以用于评估激光作用范围,特别在激光加工领域有着广泛的运用。图4所示为激光光斑在空间传播的光斑大小演变图,可以计算激光光束的数值孔径和最小光斑尺寸。第三,椭圆度。用于表征激光光束的圆形程度,是激光光束的一个重要参数。众所周知,半导体激光器分为垂直腔面发射激光器和边发射激光器,由于发光原理不同,光斑的长短轴的长度存在明显差异,测量激光光斑的椭圆度,有助于判定激光光束质量是否符合使用要求。第四,激光功率。激光能量反应激光的发光强度,在激光加工领域是表征激光加工能力大小的关键指标,光斑测量技术可以对光斑的能量分布进行测量和表征。

        

图3 :光斑的特征参数示意图

 

图4:激光光束空间传输的光斑测量结果

光学相干检测技术

由于激光的相干技术测量的尺度通常与激光波长相当,当前被广泛运用于精密测量技术,其中自混合干涉技术(SMI)技术正在被广泛运用于传感器领域。激光自混合干涉效应指的是在激光测量中,激光器发出的光被外部物体反射或散射,部分光反馈会与激光器腔内光相混合,引起激光器的输出功率、频率发生变化,引起输出的功率信号与传统的双光束干涉信号类似,所以被称为SMI,原理如图5所示。由于反射物的不同位置和相对移动速度会引起不同的SMI干涉频率,利用这种物理现象,如果事先做好标定和校准就可以实现对微小振动和位移的精确测量,图6和图7分别是三角波和直流驱动下的SMI信号。如图8所示,当反射物的运动速度在0至150mm/s的范围内,可以明显看出干涉频率与速度呈线性关系,利用这种技术可以实现对位置运动速度的实时在线测量。图5:自混合干涉技术的原理          

图6:三角波调制下的SMI信号

 

图7:直流驱动下的SMI信号              

图8: SMI信号测速

光学仿真与设计

光学仿真和设计是光学行业非常重要的技术,通常在光学系统制造和验证的前期需要十分严谨的光学仿真,对光学系统的理想效果进行预测,并指导加工和光学器件的选型。光学仿真通常与结构尺寸,成像效果和配光效果等紧密相关。光学仿真技术被广泛运用于成像光学设计,光源照明设计,光纤耦合传输和激光技术等领域。光学测试组经过多年的技术积累,目前已在可见-红外均匀光源设计,光路系统模拟验证,光纤耦合和杂散光分析方面有着比较丰富的经验。如图9所示,是专门针对532nm和940nm波长定制的均匀光源,其均匀度高达90%以上,目前已大量运用于我们开发的检测设备中。目前场镜被广泛运用于激光打标,激光微加工领域,针对不同的运用场景和要求,比如不同的激光波长,不同的加工幅面,加工的精度等要求,对场镜的参数规格也提出了更加严苛的要求,我们团队在这方面也形成了较强的技术积累,如图10所示为我们针对特定加工需求设计出的一款场镜。图9:可见-近红外均匀光源              

图10:场镜模拟与设计

透射率与反射率检测技术

当前针对不同的检测对象,已经发展出了多种的透射率和反射率的检测方法。但是这些测试方法大多数都是基于光谱分析的测量技术。测量透射率的常见方法包括:单色仪型分光光度计测试方法,干涉型光谱分析系统测量方法,偏光检测分析方法等。反射率测量的常见方法包括:单次反射光谱分析测试方法,多次反射光谱分析测试方法和激光谐振腔测试方法等。

光谱测量方法中有很多因素会影响透射率和反射率精度,这些因素主要包括:第一,被测样品的口径大小。当样品小于光斑尺寸时,需要采用光阑来限制光束的大小。第二,被测样品楔形角的影响。为减小该因素的影响,可以使光束尽量准直,并且尽量采用大口径的积分球探测器。第三,光线偏振效应。尽量让样品垂直放置,并且加上偏振测试装置。第四,光谱仪的光谱分辨率。选择合适的分辨率,滤光片要求较高的分辨率。第五,空气中某些充分吸收带的影响。比如空气中的二氧化碳吸收,解决措施是样品室里面充氮气。第六,被测样品后表面的影响。测试透过率时不可避免引入后表面的影响,需要通过计算消除这种影响。针对以上影响透过率测试的因素,我们开发出如图11和12所示的精度高,稳定性好的透过率测和反射率检测设备。图11:光谱仪透射率测试系统

 

图12:光谱仪反射率测试系统

当今光学检测技术正被广泛运用于工业生产领域,随着技术的进步和产品的更新,特别是消费品电子产品需求的不断扩大,光学精密检测技术将会运用得越来越广泛,同时也会对测量能力提出越来越多的要求,比如测量结果更准,测量的重复性和稳定性更好,测量速度更快,设备的故障率更低等。这对于我们研发部门提出了更高的要求和挑战,我们将时刻以市场需求为向导,开发出测量精度更高,稳定性更好,速度更快的设备,提高公司产品的竞争力,为公司在市场竞争中赢得先机,最终实现公司的愿景。

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责编:Amy Guan

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