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激光光束测量中热透镜效应产生的误差

张云英裴之利田园彭姗姗高玉庆桑志刚

北京高光科技有限公司

介绍

目前对功率在10mW～1W的激光器的光束测量变得越来越普遍。许多这种激光器的波长都在可见光范围内，用CCD 和CMOS相机阵列就可以测量。用相机阵列测量激光器时，需要对光束进行衰减，但是有一些事项要注意。虽然光强还不足以损坏典型的吸收滤光器，但实际的操作中经常会通过增加衰减片把1W功率的激光器降到不会使探测器饱和的pW量级，不幸的是这种操作极有可能导致错误的测量结果，这是由一种叫做热透镜效应或热晕效应的现象引起的。激光器的能量加热吸收滤光器的局部并改变它的光学特性，这些变化经常会导致底层材料折射率的改变，从而形成一个让光束或聚焦或发散的透镜。功率较低时，可以在一段时间内观察到这个现象。但是，这个现象也可能在瞬间发生，同时给出稳定、精确的测量结果假象。

当每毫米直径的光束功率在100mW附近时，安全精确使用吸收滤光器的经验方法是功率密度大概等于12.7W/cm2。由于功率密度随着光束尺寸的减少而增加，这意味着100μm的光束在功率为1mW时就可以发生这种效应。当然实际上它与波长有关并会随之而改变。但是可以肯定的是：用相机阵列进行精确测量时需要适当的衰减。

那么什么是适当的衰减？答案是组合使用反射和吸收滤光器来减少到相机阵列的功率。如果功率密度有可能超过热透镜效应的限制时，第一步就应该用某些类型的反射镜（平面反射镜、棱镜或前表面反射镜）进行衰减。如果偏振很重要，为了维持激光器的偏振特性，应该成对使用这些反射镜。下面我们将介绍单独使用吸收滤光器，组合使用反射和吸收滤光器以及采用狭缝扫描技术（无需衰减即可直接进行测量）这几种情况下，对300-500mW激光器的测量结果，单独使用吸收滤光器时产生的误差很大，光束尺寸被低估了40%。

实验方案

用三种方法测量标称功率为500mW 的Coherent DPSS 532激光器（532nm）的未聚焦光束。

方法1

使用Photon的USBeamPro CMOS阵列光束分析仪在离激光器出口30cm的位置对光束进行测量，衰减器全部为吸收滤光器，由OD=2.8的灰玻璃滤光器和OD 1.7～4.6的ATP-K连续可变楔形衰减器组成。

方法2

首先用前表面反射镜进行衰减，然后再用ATP-K衰减。其它和方法1相同。

方法3

用Photon的狭缝扫描NanoScan光束分析仪在同一个位置进行测量，激光器不需要衰减。

结果与讨论

因为我们希望在最初的实验方案（方法1）中看到热效应，所以我们用时间统计表来观察激光器的测量结果。为了看到任意一种效应并消除激光器本身带来的影响，我们首先打开相机，然后再把激光器的光束打上去。这样我们会看到光斑尺寸的瞬间峰值大概是700um，几毫秒内就固定在500μm (1/e2)附近。每次测量时虽然最初的峰值会稍有不同，但是我们都会看到类型的现象。

表一仅使用吸收式衰减器时光束测量的时间统计表，显示了从初始峰值到低位值的光斑尺寸

不使用时间统计表时光斑尺寸的测量值会稳定在430-520μm。

　表二仅使用吸收式衰减器时USBeamPro对光斑尺寸的测量数据

当使用前表面反射式衰减器进行相同的实验时，看不到峰值效应而且光斑尺寸的测量结果大约为850μm。

表三使用4%前表面反射镜和ATP-K衰减器时USBeamPro对光斑尺寸的测量数据

用NanoScan测量光斑尺寸的结果大约为850μm。

表四使用NanoScan分析仪时对光斑尺寸的测量数据

用NanoScan和采用适当衰减的USBeamPro测量同一光束时的测量结果是一致的，而产生热透镜效应时的测量结果比正常值降低了40%，这表明在第一种衰减方案中产生了快速的透镜效应。由于效应很快，测量中完全有可能产生一个不易觉察的误差。测量中并没有出现预期的热晕效应，而是迅速的达到一种平衡效果，

此次使用的激光器的功率密度大约为80W/cm2，通过前表面反射镜后进入ATP-K衰减器的功率密度为3.2W/cm2，这远远低于12.7 W/cm2的热透镜效应理论界限。通过对这种配置和NanoScan的测量结果对比发现：一旦功率水平降到临界极限以下，热透镜效应就不会发生。

结论

尽管组合使用足够的光密度衰减器可以把激光功率降低到不足以使相机饱和的功率水平，但是测量结果很重要时，仍需要小心正确的进行操作。不要以为没有看到热效应现象就认为它没有发生。基于狭缝扫描的NanoScan光束分析仪的优势之一就是不需要衰减，因此每次都能得到精确的测量结果。使用相机也可能得到类似的结果，但是必须要好好设计衰减方案。如果怀疑有可能产生热透镜效应，那么最安全的方法就是使用反射式衰减器来降低功率。