雖然提高激光器的功率可以加快材料加工操作的結(jié)果，但通過(guò)光束測(cè)量工具常會(huì)發(fā)現(xiàn)這樣只會(huì)將激光能量分散到更大區(qū)域，從而降低對(duì)目標(biāo)的照射度（單位面積能量）?，F(xiàn)今的光束輪廓分析儀允許終端用戶為了實(shí)現(xiàn)精確的照射而調(diào)整激光流程，使照射度剛好能完成任務(wù)，但是不會(huì)出現(xiàn)如焊接過(guò)熱的情況，防止最終成果不理想。
激光操作員并不總能快速、容易地評(píng)估激光加工工具的光束質(zhì)量。過(guò)去，他們依靠壓舌板、橘子皮，甚至工作臺(tái)末端的墻壁來(lái)觀察、測(cè)量激光剖面能量的分布或光束輪廓。剃須刀片甚至也曾作為測(cè)量某些脈沖激光器強(qiáng)度的工具。通過(guò)測(cè)量不同脈沖激光能夠穿透刀片的數(shù)量，比較不同激光光束的性能。后來(lái)，人們也曾使用肉類(lèi)溫度計(jì)和電冰球等設(shè)備進(jìn)行測(cè)量，它們所顯示的讀數(shù)通常只是一個(gè)大概估計(jì)值，缺乏當(dāng)今測(cè)量設(shè)備的精確性和易用性。

圖1：早期的激光光束測(cè)量工具依賴(lài)燒紙，因?yàn)樗茱@示光束尺寸的大致量級(jí)，但不能顯示定量數(shù)據(jù)以及激光腔失調(diào)而產(chǎn)生的光束熱點(diǎn)或孔洞的詳情（來(lái)源：Kentek公司）

得益于光學(xué)技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展，適當(dāng)精確的測(cè)量系統(tǒng)也得到了相應(yīng)發(fā)展，但測(cè)量系統(tǒng)既受其支持，也受其抑制。測(cè)量激光應(yīng)用特性技術(shù)的同步增長(zhǎng)，推動(dòng)了激光應(yīng)用的許多進(jìn)展。從最初追求便捷的激光光束測(cè)量產(chǎn)品，到已成為現(xiàn)今精心設(shè)計(jì)的激光測(cè)量解決方案基礎(chǔ)的智能、創(chuàng)新的產(chǎn)品，該技術(shù)一直在不斷發(fā)展，以應(yīng)對(duì)測(cè)量激光參數(shù)的挑戰(zhàn)。這是早期激光應(yīng)用成功的關(guān)鍵。

功率表和光束輪廓測(cè)量?jī)x

現(xiàn)今，大多數(shù)激光用戶都熟悉功率表。它使用半導(dǎo)體或熱電堆傳感器測(cè)量從幾毫微瓦到數(shù)百千瓦的激光強(qiáng)度。高能脈沖激光器的使用者，用熱釋電或半導(dǎo)體傳感器測(cè)量每個(gè)脈沖中包含的能量。商用激光能量傳感器能夠測(cè)量從微焦耳到千焦耳的脈沖，可以在不中斷的情況下量化單次發(fā)射到數(shù)百千赫的脈沖頻率。

圖2：非冷卻激光功率測(cè)量系統(tǒng)可以方便地對(duì)工作樓層進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)量，甚至對(duì)如增材制造系統(tǒng)那樣的狹小、受限的空間進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)量（來(lái)源：MKS/Ophir公司）

激光的截面強(qiáng)度分布即光束輪廓，是另一個(gè)經(jīng)常需要測(cè)量的重要參數(shù)。光束輪廓分析儀可以給出一個(gè)失調(diào)諧振腔的視覺(jué)指示或輸出光，使聚焦光降能或失調(diào)，或產(chǎn)生其他影響傳遞光能量的問(wèn)題。光束輪廓分析產(chǎn)品可測(cè)出光束的強(qiáng)度、尺寸、位置和徑向?qū)ΨQ(chēng)性的數(shù)值分析——或平頂光束均勻性。對(duì)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析可用于監(jiān)控操作參數(shù)，尋找制造中的異常情況或趨勢(shì)，記錄工藝參數(shù)的一致性。

掃描孔徑傳感器也可用于測(cè)量光束輪廓，用短時(shí)間內(nèi)以光束通過(guò)一個(gè)狹縫或微孔平移的方法進(jìn)行測(cè)量?；诠馊Φ膫鞲衅鲗?duì)光學(xué)衰減的要求非常低（如果有的話），因?yàn)橹挥袠O微小的激光會(huì)通過(guò)縫隙傳到單元探測(cè)器上。
基于攝像機(jī)的系統(tǒng)需要更多的光學(xué)衰減，因?yàn)閿z像機(jī)傳感器可以在輻射度低至1.0μW/cm2時(shí)飽和。用于測(cè)量光束輪廓的光衰減器可以安全地提供多達(dá)16個(gè)數(shù)量級(jí)的光衰減，對(duì)入射光束的失真很小。成功實(shí)現(xiàn)光衰減需要精心選擇工程方案和材料。高性能材料，如激光級(jí)熔融二氧化硅，具有污染極低，透明度高，光學(xué)表面質(zhì)量和平整性?xún)?yōu)異等優(yōu)勢(shì)，能成功滿足千瓦級(jí)激光光束采樣系統(tǒng)所必需的一些要求。

圖3：現(xiàn)今，激光測(cè)量系統(tǒng)的可測(cè)量范圍從毫微微瓦特到數(shù)百千瓦，從微微焦耳到數(shù)百焦耳（來(lái)源：Coherent相干公司）

輪廓分析儀

熱釋電、硅線陣列探測(cè)器以及掃描孔徑產(chǎn)品，被早期的激光創(chuàng)新者用來(lái)監(jiān)測(cè)其不可見(jiàn)激光束的強(qiáng)度輪廓。最初基于攝像機(jī)的光束輪廓儀，有模擬CID（電荷注入裝置）和CCD傳感器，還有近紅外光譜技術(shù)（NIR），帶有硫化鉛光電陰極的光導(dǎo)攝像機(jī)。應(yīng)用低分辨率熱釋電矩陣陣列，將從短波到長(zhǎng)波紅外范圍激光束的特征描繪出來(lái)，因?yàn)檫@些陣列是唯一可用來(lái)探測(cè)這些波長(zhǎng)的工具。

現(xiàn)今，1980年代的8位模擬相機(jī)已經(jīng)升級(jí)為12位和14位的百萬(wàn)像素版本，具有巨大的動(dòng)態(tài)范圍和空間分辨率。高分辨率InGaAs攝像機(jī)在短波紅外（SWIR）光譜中的輪廓光束，以及熱釋電和微測(cè)輻射熱儀攝像機(jī)，被廣泛用于監(jiān)測(cè)中波和低波激光。隨著模擬接口被替代，攝像機(jī)連接顯著增加，高分辨率圖像在攝像機(jī)中被數(shù)字化，并通過(guò)高速USB 3.0或千兆以太網(wǎng)電纜，被發(fā)送到安裝在筆記本電腦、個(gè)人電腦或智能手機(jī)上的光束分析應(yīng)用程序上。

第二代掃描孔徑傳感器種類(lèi)繁多，可實(shí)現(xiàn)完整的激光光譜覆蓋，從紫外線到長(zhǎng)波紅外線（LWIR）。掃描狹縫系統(tǒng)和掃描針孔系統(tǒng)對(duì)激光光束的光學(xué)衰減要求很少（如果有的話），所以非常適合高水平激光輻射度常見(jiàn)的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。由于使用了特殊材料，掃描孔徑和基于攝像頭的光束輪廓產(chǎn)品現(xiàn)在可以監(jiān)控多千瓦功率光纖和碟片激光器的聚焦區(qū)域，而不會(huì)損壞傳感器或光束采樣儀。

現(xiàn)今的功率測(cè)量

連續(xù)波或脈沖激光器的非冷卻激光功率測(cè)量系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)車(chē)間內(nèi)可便捷使用的監(jiān)測(cè)光束強(qiáng)度?，F(xiàn)今的系統(tǒng)，比如Ophir公司的Ariel儀器，無(wú)需水冷，就能輸出高達(dá)8000W功率的光，以測(cè)量典型處理功率密度下的非聚焦光束。此類(lèi)儀器可用于測(cè)量增材制造、切割、焊接、熱處理以及其他材料加工流程中的激光功率能量。
Coherent相干公司生產(chǎn)的PowerMax-Pro高速薄膜熱釋電傳感器系列，進(jìn)一步說(shuō)明了光束分析是如何從實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)入制造車(chē)間內(nèi)應(yīng)用的。該技術(shù)可以為用于高精細(xì)微加工和材料加工應(yīng)用（如塑料焊接和玻璃雕刻）的MWIR和FWIR激光器，提供微秒級(jí)的校準(zhǔn)功率傳感水平和脈沖形狀監(jiān)測(cè)。

非接觸測(cè)量

用于組裝燃料電池和焊接電池組件的千瓦級(jí)光纖和碟片激光器，現(xiàn)在可以通過(guò)非接觸光束輪廓系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。這些集成系統(tǒng)找到焦平面——沿著傳播軸上最小光斑的位置——根據(jù)光束的總功率，推導(dǎo)出應(yīng)用激光能量的輻射度分布輪廓位置。關(guān)鍵的操作參數(shù)——比如焦點(diǎn)轉(zhuǎn)移或束腰位置的變化，聚焦深度，光束大小，功率和工作平面上的輻射度——都是激光系統(tǒng)的性能指標(biāo)。粉床作業(yè)表面適當(dāng)?shù)妮椛涠仁窃霾闹圃鞈?yīng)用成功的一個(gè)特別關(guān)鍵的指標(biāo)。當(dāng)前的測(cè)量解決方案還可以存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，允許列出所有性能參數(shù)，以便與之前的性能配置文件比較。
非接觸激光分析儀可以同時(shí)監(jiān)測(cè)整個(gè)聚焦區(qū)域、光束焦散和激光功率。從這些測(cè)量中獲得的圖像確定了激光過(guò)程中的可用輻射度輪廓。測(cè)量每個(gè)工藝前后的激光參數(shù)可能會(huì)略微減慢工藝過(guò)程，但它能確保在零件上應(yīng)用正確的能量/輻射度，產(chǎn)生所需的工藝結(jié)果。不能準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)參數(shù)——如激光功率、能量和工件輻射度——會(huì)浪費(fèi)寶貴的材料和加工時(shí)間，也有可能使加工暴露在不規(guī)范的條件下，產(chǎn)生更多廢料，使工藝退化，并對(duì)最終產(chǎn)品壽命產(chǎn)生負(fù)面影響。

接下來(lái)還會(huì)出現(xiàn)什么？

幾十年來(lái)，激光技術(shù)憑借測(cè)量系統(tǒng)工藝促進(jìn)了應(yīng)用增長(zhǎng)，促進(jìn)了以激光為基礎(chǔ)的各項(xiàng)工藝性能的提高和產(chǎn)品的出現(xiàn)。工業(yè)激光器的現(xiàn)代應(yīng)用直接受益于測(cè)量技術(shù)。持續(xù)采用激光工具，依賴(lài)于對(duì)關(guān)鍵激光參數(shù)的高保真分析，比如輸出功率或能量，工件上的輻射度，焦平面位置和光束穩(wěn)定性。

在激光測(cè)量工具的開(kāi)發(fā)中，獨(dú)創(chuàng)性一直發(fā)揮著作用。目前的監(jiān)測(cè)技術(shù)有助于實(shí)現(xiàn)激光材料加工的下一場(chǎng)革命。對(duì)激光性能更深入的了解，有助于所有基于激光的業(yè)務(wù)拓展。在將來(lái)，激光系統(tǒng)性能監(jiān)測(cè)可能會(huì)被標(biāo)準(zhǔn)化，以持續(xù)記錄正確的輻射度，用于流程監(jiān)測(cè)。應(yīng)用于某一流程工序的最優(yōu)波束的清晰輪廓，將有助于在流程退化時(shí)將激光器與這個(gè)流程分開(kāi)。通過(guò)穩(wěn)定、可重復(fù)的流程，激光系統(tǒng)性能監(jiān)測(cè)也能保障產(chǎn)出高質(zhì)量產(chǎn)品，以確保高附加值激光加工會(huì)帶來(lái)的益處。

圖4：非接觸激光分析儀可以同時(shí)監(jiān)測(cè)全聚焦區(qū)焦散情況及激光功率（ 來(lái)源：MKS/Ophir 公司）

新技術(shù)和測(cè)量技術(shù)無(wú)疑將隨之而來(lái)，為激光加工和光的關(guān)鍵新應(yīng)用帶來(lái)新的革命性進(jìn)展。接下來(lái)還會(huì)發(fā)生什么呢？隨著成本降低，更先進(jìn)的傳感器技術(shù)——比如像素更小、傳感器更大、波長(zhǎng)覆蓋范圍更廣的相機(jī)——有望得到更廣泛的應(yīng)用。緊湊的激光光束取樣儀將使生產(chǎn)線旁和生產(chǎn)線上光束分析成為可能。非接觸應(yīng)用將會(huì)增加。

最后，在流程前和流程中測(cè)量激光參數(shù)將變得更加容易，便于操作員在問(wèn)題發(fā)生時(shí)修復(fù)問(wèn)題，防止他們?cè)诓涣私膺^(guò)程變量的情況下就返工或報(bào)廢產(chǎn)品?，F(xiàn)在可以很容易地監(jiān)測(cè)高功率激光系統(tǒng)的性能?？焖?、非冷卻的功率傳感器和非接觸光束輪廓工具使得測(cè)量變得又簡(jiǎn)單又經(jīng)濟(jì)。激光先驅(qū)們?cè)缇鸵庾R(shí)到精確、可重復(fù)測(cè)量的必要性。