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

高亮度激光测量带来的挑战

高功率激光已经成为各种激光生产加工中的工具，无论是激光切割，还是激光焊接，甚至是军事设备中都有激光器。从上世纪九十年代以来，各种高功率激光器应用越来越广泛，从CO2激光到碟片激光再到光纤激光，激光市场呈指数增长。相对于传统的激光器，高功率激光可以输出几千瓦的功率，再加上光束质量高的特点，使其可以聚焦成非常小的光斑。在促进激光高速发展的各种因素中，优异的光束质量比高功率更重要。

通常，激光光束质量定义为Beam Parameter Product (BPP)，或者更通俗的说就是M²。光束发散角和束腰的乘积BPP表征了该光束可以聚焦成多小的光斑。实际光束的BPP和同一波长下理想高斯光束的BPP比值就称为M²。这个光束质量的参数和波长有关。简单的说，更好的光束质量（M²值趋于1或理想高斯光束）意味着能达到更高的激光功率密度(W/cm²)，影响加工成本，加工速度以及加工质量，进而带来新的技术挑战。

“亮度（brightness）”的概念是用来同时表述输出功率和光束质量的，通常定义它为单位面积，单位立体角(W/(m²_*sr)内的输出功率。高亮度意味着小的固定角度内高的功率密度。光纤激光和碟片激光都属于我们通常所说的高亮度激光。无论是在激光输出端还是在加工端对这些激光进行操作，高功率和高的功率密度的特点都不能忽视。因为它们会带来以下几个方面的问题：

• 光学元件必须具有高的损坏阈值以及低的热透镜形变。

• 激光安全：波长越短（通常在1070nm附近），对人眼来说越危险。

• 激光的运动和控制系统（加速度，方向等）必须拥有高的运行速度。

• 激光参数的测量；特别是激光功率的测量尤为重要。工业应用的激光功率正在持续攀升，万瓦级的激光应用现在已经非常普遍了。即使在这种情况下，也必须保证测量的准确度。

高功率和高亮度激光测量设备

下一代的高功率工业和激光热电探测器都要求承受超过几KW/cm²的功率密度。这样，无论对于散热还是对于材料的硬度来说，都是一项挑战。基于热量计和热电堆的功率计毫无争议的被认为是测量高功率激光功率的设备。这两种功率计是根据吸收激光辐射所产生的热量引起的温度差来进行测量的。测量时直接测量冷却液中的温度或者测量热电堆产生的电势差（电压）。而设备输出电压信号和激光器的功率有对应关系。再详细点说，适合测量高功率激光功率的仪器包括：

A）持续流热量计的功率计：在这种一起种，激光辐射作为持续稳定的热流被热沉吸收。热流和吸收的激光辐射有一一对应关系，并且可以通过测量冷却液（通常是谁）在热量计输入端和输出端的温差(DT)来计算。

激光功率可以根据下面的公式来计算。

P = Cp *f *DT /k_c

P= 激光功率 (J/s);

Cp= 液体热容 (J/kg °C) ;

f= 液体流量 (kg/s)

DT= 温差 (°C)

k_c <1 = 校准系数 (和吸收体有关)

持续流热量计非常精密，对特别高功率的测量（万瓦级以上）来说是非常常规的仪器。

Fig1- 持续流热量计示意图

b）基于热电堆的功率计：在这种仪器中，激光辐射被一层特殊材料吸收，并转化为热量，进而通过Seebeck效应，被一个热电偶阵列转化为电压信号。电动势（电压）正比于吸热区（热区）和热沉（冷区）的温差。

这样，热吸收引起的热量梯度就和激光功率有了一一对应的关系。

简单来说，热电堆其实就是热电偶阵列热端和冷端结合起来产生总的电压信号。根据热流方式的不同，热电堆可分为两类：轴向和径向。在径向热电堆中，激光器打在传感器的中间区域，从而被吸收，进行功率测量。

Fig2- 径向热电堆: 在高功率测量中，这种结构规

新的挑战：高硬度的激光吸收体以及导热结构设计

一、测量的可靠性以及仪器的耐久性由导热结构决定

高亮度激光带来的挑战是，热电测量设备的稳定度，测量可靠性以及设备持久性必须显著提高。热吸收层是关键组件，所有用于热吸收层的材料在设计时必须经过严格分析。

我们基于热电堆的激光功率计主要有三个部分组成：吸收层、传感盘基底、热沉；同样，对于热量计也可以分成两个部分：吸收层、流体及散热组件。对于这两种仪器，热扩散系数都是必须仔细优化的重要参数。热扩散系数是表征材料热传输相对于热储存的能力的物理量。通过优化导热结构可以实现热扩散系数的。非常薄的吸收层也可以在保证低热容的同时还有高的吸收系数。对所有热电探测器（无论是水冷还是风冷）来说，基质和热沉的连接处是关键。通过优化水流通道和散热片的几何结构可以实现热扩散系数。探测器的结构设计必须考虑到所有部件的热应力以及形变，包括吸收层，基质以及热沉。事实上，不恰当的设计将导致散热能力下降，而热沉吸热能力的下降将导致吸收层损坏阈值的降低。

二、激光吸收层的重要性

在热量计和热电堆探头中，高阻的吸收体是关键组件。优异的性能可以确保设备能准确，稳定，可靠的工作。在热电堆探测器中，吸收层直接沉积在基质上，热电偶阵列也和基质集成在一起。而热量计的吸收层直接覆盖在水冷单元上，作为热交换器。

在设计一个新的功率计的时候，必须选择一种合适的材料作为吸收体，必须分析吸收材料的几个重要参数和性能。首先，影响损坏阈值的化学，物理以及结构参数都必须分析测试。对于不同的厂家，不同的吸收材料，这些参数都各不相同，因为他们各自都有自己的“配方”。就算各有不同，但目标是一致的，那就是提供高损坏阈值，高阻抗的吸收体。损坏阈值的定义是超过某个功率密度(W/cm²)将导致功率测量发生>1%的变化的这个功率密度值。通常情况下，将造成化学和物理性质不可逆的变化。

在这些参数中，材料的热熔点和导热系数(W/m _*°K)必须优先考虑。材料在不同的温度下必须保持性质一致。首先，吸收层性能不能退化或因为热形变导致它从基质前剥离：这种情况在细高斯光束入射或者局部受热的时候又可能发生。如果几千瓦激光入射以后，材料温度也能保持小于250°C，就说明选择的材料合适，结构设计也比较合理。如果是脉冲激光器，脉冲宽度也将影响损坏阈值。脉冲宽度会不同会导致两种不同的损坏过程：对于非常短的脉冲（<100µs），散热的时间比脉冲宽度长得多，局部的激光能量将使吸收层的原子剥离；在另一个情况下，脉冲宽度足够长，比散热的时间还要长（>10ms），造成损坏的原因主要是热效应。

FIG. 3- 两种高功率激光吸收材料在不同脉宽下的损坏阈值

需要考虑的另一个重要的材料参数是激光波长范围内的吸收系数，它有以下特点：

· 吸收系数必须足够高（通常>70%），以确保薄的材料能够吸收到足够的激光辐射，同时也意味着对于任意波长的反射率；

· 对于激光波长范围够覆盖最宽的响应范围；

· 对于任何入射角，都能保持的反射率；

· 以上的特性都必须能经受时间的考验，也就是仪器的寿命必须足够长（不考虑人为使用错误）；不会因为材料老化或者氧化等问题导致测量结果有太大的影响。

通常，那些可用于高功率和高亮度测量的要求的材料都有一个或者几个性能不符合膜层的要求。因此，生产厂家在选择合适材料的时候需要一些技巧。而Laserpoint的超硬膜层Super Hard Coating (SHC)从各技术层面上都符合膜层的需求。高效，高速的热传递能力使其可以承受高功率密度。利用这个膜层，Laserpoint推出了两款适合高功率应用的产品。

Fig.4- Laserpoint’s SHC吸收层和其他商品化的高功率吸收层损坏阈值的对比

的技术: 12kW的 Laserpoint's 热量计以及1200W风冷热电堆探头

最后，让我们介绍两款可测量目前功率密度的新产品，他们满足本文之前所提出的功率测量的技术要求。这两款功率计都采用SHC作为吸收体，这是它们（尤其是热量计）在保持小体积的同时，得到更高的损坏阈值，从而能够测量更高的功率测量。

几年前，Laserpoint针对光纤激光市场实现600瓦风冷探头（短时间可测量850W）。而今天，又实现了1200W风冷的探头(Mod. A-1200-D60-SHC)。该产品无论在热处理，膜层材料，结构优化等各个方面都处于技术。它的全量程线性度达到±1.5%，符合±3%的PTB/NIST校准标准。口径为60mm，尺寸为140Lx140Px140Hmm，重4.4Kg。

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

Fig.6 - Mod.A-1200-D60-SHC: 1200W下吸收层表面的热成像- 膜层温度为200°C ( IPG fiberlaser YLS 2000)

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

除了1200W风冷热电堆探头，Laser Point还推荐高达12KW的热量计。公司材料研发技术强大，加上专业的导热设计，研制出创新产品W-12K-D55-SHC-USB热量计。该热量计集成度高，相较于同级别其他类型的产品重量更轻，吸收腔内也不需要再集成扩束单元。该探测器全量程下线性度为±1.5 %，PTB/NIST校准准确度为±5%，口径为55mm，三维尺寸为L140xP200xH180mm，重6Kg。

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

Fig.9- Mod. W-12K-D55-SHC-USB:10 KW下吸收层表面的热成像- 膜层温度为113 °C ( IPG fiberlaser YLS 10000)

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