基於刀片法的飛秒雷射束腰半徑的實時測量與計算

2021-01-10 OFweek維科網

　　4 實驗數據的採集和自動處理

 　　LabVIEW是一個具有革命性的圖形化編程開發平臺，它內置信號採集、測量分析與數據顯示功能，摒棄了傳統開發工具的複雜性，提供強大功能的同時還保證了系統靈活性。PCI數據採集卡帶有可以供LabVIEW調用的子程序，而電動平移臺可以通過計算機串口輸送指令，使用數據採集卡的1通道作為信號輸入端，考慮到功率計的響應和雷射器的重複頻率．每隔10微秒採集一次信號，這樣不會漏掉信號。電動平移臺每走一次，光功率計記錄一個數值，同時將數值與所走的步數作為數據輸出並進行存儲。

 

                                          圖2 (a)刀片切割雷射光束的透射功率隨x軸位置變化的曲線(點
                                        為實驗數據曲線，實線為數據擬合曲線) (b)對圖2(a)中數據進
                                              行求導並擬合的曲線(點為實驗數據曲線．實線為數據擬合曲線)

　　圖3是對數據進行自動處理的程序，圖3(a)圖是前面板，可以看到將光功率求導得到的高斯型分布的數據進行求導得到的擬合結果中給出了．關於雷射光束束腰半徑的信息。圖中初始值是進行Guassian擬合前輸入的估計數值，下面是擬合得到的結果。圖中的橫軸為電動平移臺移動的步數，縱軸分別為歸一化的光功率和及其一階導數。圖3(b)圖中顯示的是數據處理的結構框圖，顯示的是數據的流程圖。將刀片所處位置及其光功率數據作為兩列數值輸出，首先對光功率數值進行歸一化，然後調用LabVIEW軟體當中的求微分模塊進行微分，為了更為精確地求出雷射的束腰半徑，對微分結果進行線性插值。使用Gaussian型擬合模塊對結果進行擬合，擬合得到的結果進行積分並與實驗測量到的數據進行比較並分析誤差，殘差保持在0.01以內。

 

圖3 (a)使用LabvlEW編程的數據自動處理的前面板 (b)結構框圖

　　使用刀片法實時測量後透鏡焦點附近的雷射光束的束腰半徑，得出束腰半徑與透鏡位置的關係，發現j與接近焦點時，束腰半徑逐漸變小，這符合距離焦點越近，束腰半徑越小的原則。但當經過焦點時由於雷射光束的束腰半徑最小，對應飛秒雷射具有最強的峰值功率，通過計算其強度約為2.5×1017W/m2，在刀刃表面發生燒蝕作用，對刃口有了一定的破壞作用。通過這一方法可以簡單測出材料發生燒蝕的閾值功率，可見使用刀片切割強雷射光束測量束腰半徑時，需要適當減小飛秒雷射的入射功率。

 

圖4 計算束腰半徑相對於雷射傳播距離z的關
系盈(點線為實驗結果，實線為理論計算結果)

　　5 結論

　　針對經過透鏡聚焦後的飛秒脈衝雷射，使用LabVIEW編程技術對雷射束腰半徑進行了在線實時地測量和計算，並闡述了測量過程和誤差分析。使用刀片法測量束腰半徑有幾個優點：(1)實現雷射束腰半徑的自動化在線測量與計算；(2)使用光電倍增管或矽光二極體等較為便宜的設備作為光電探測器，將光信號轉換為電信號；(3)測量其他形狀的脈衝如hat-top，seth2型的雷射脈衝，需要改變結構框圖中相應的擬合類型即可。飛秒雷射聚焦後峰值功率極高，進行刀片法實驗時需要適當降低雷射的入射能量，避免在刀刃表面產生燒蝕作用，影響實驗的精度。
 

相關焦點

  • 採用刀片法對飛秒雷射束腰半徑的實時測量
    本文介紹了利用LabVIEW軟體編程，使用數據採集卡配合光功率計，通過刀片切割光束的方法測量並計算了經過凸透鏡的飛秒脈衝雷射的束腰半徑。對光功率隨刀片位置變化的關係進行擬合，可以在線實時測量精確度為微米量級的雷射束腰半徑。
  • 雷射光束質量M因子的測量方法
    ，即不僅能測量光束半徑還可以測量得到細節形狀。　　光束質量分析儀可以用於以下方面：定性給出光束截面可以用於雷射的對準，而測量光軸不同位置處的光束半徑可以計算M因子或者光束參量乘積，定性表徵光束質量。　　採用合適的雷射光束診斷方法控制光束質量在很多雷射器應用中都很重要，例如，材料加工；例如，如果可以控制光束質量，就可以得到更加一致的鑽孔質量。
  • 基於實時光譜分析的智能飛秒鎖模脈衝控制
    ，首次實現了鎖模雷射器輸出飛秒脈衝的實時光譜控制，可通過算法智能調節輸出飛秒脈衝光譜的帶寬、形狀以及脈衝的時域寬度。 輸出脈衝寬度為10-15秒的飛秒脈衝雷射器作為重要的基礎研究工具，在物理、化學、生物、材料、信息科學等領域都有廣泛的應用。鎖模是產生飛秒脈衝的主要手段，實現方式有主動鎖模、被動鎖模以及混合鎖模。其中，基於非線性偏振演化（Nonlinear polarization evolution, NPE）的被動鎖模因其簡單的結構和優異的脈衝性能備受親睞。
  • 用雷射測量氦原子核的半徑
    近日，瑞士的保羅謝爾研究所（Paul Scherrer Institute，PSI）的研究小組發表了最新的氦原子核半徑的測量結果。此次測量結果相比於之前精確度提高了5倍。更加精確的測量結果有助於驗證物理學理論和確定物理基本常數的數值。該實驗採用了μ子—一種類似於電子，但比電子重兩百倍的基本粒子。PSI也有著全球唯一的低能量μ子源。
  • 飛秒雷射刻蝕技術將普通金屬變成「完美」的太陽光能吸收器
    但是，由於產生的表面結構的大小、幾何形狀和密度的具有隨機性，難以精確控制表面結構的性質，最終在實際設備中運用經飛秒雷射誘導的表面仍然具有很大的挑戰性。雖然這些研究表明飛秒雷射加工具有產生更規則的表面特徵的能力，但沒有證明具有精確設計表面特性的能力。美國羅徹斯特大學的郭春雷教授團隊聚焦飛秒雷射加工領域，對如何更精確的控制金屬表面的特性及其應用展開了一系列的研究。 郭春雷課題組通過等離振子共振尺寸效應和等離激元雜交模型來控制表面納米結構的形貌，進一步控制經飛秒雷射誘導的金屬表面的光學性質。
  • 飛秒雷射納米結構有效減少非晶合金上的細菌粘附
    江蘇雷射聯盟導讀：作為高性能材料，大塊金屬玻璃在生物醫學領域引起了廣泛關注。本文評估了四種鋯基塊體金屬玻璃的飛秒雷射納米結構表面的細菌粘附特性。在不同能量強度(0.23和2.3 J/mm)下，飛秒雷射輻照製備了雷射誘導的周期性表面結構和納米粒子結構)。
  • 基於相機的光束輪廓儀來測量高功率雷射的材料加工
    江蘇雷射聯盟導讀：採用新的方法進行實時探測缺陷的存在與否對終端用戶提高材料的加工質量、提高加工效率、減少浪費和在製造時獲得更好的整體精益的生產體驗。從雷射切割鋼板到在矽材料上打孔以及在塑料上進行打標，目前使用高功率雷射可以在很多材料上進行加工。每一個增加的用途都存在要求不斷提高產能和減少浪費的需求，從而要求雷射加工過程必須是穩定的和可以預測的。
  • 我飛秒雷射結合自組裝複合加工技術獲突破
    來源：科技日報科技日報合肥8月13日電 （記者吳長鋒）記者從中國科學技術大學獲悉，該校工程科學學院微納米工程實驗室利用飛秒雷射引導毛細力自組裝複合加工方法中國科學技術大學微納米工程實驗室在飛秒雷射複合加工方面開展了長期的系統性研究。在前期工作中，他們通過將飛秒雷射直寫與毛細力自組裝技術結合，開發了新型的飛秒雷射複合加工方法，實現了複雜多層級聚合物結構的製備，並在微物體操縱、微粒製備、微光學、仿毛細血管微通道製備等多個領域開展了應用研究。
  • 前所未有的的精確測量:在量子電動力學中用雷射求解質子電荷半徑
    江蘇雷射聯盟導讀：研究組對原子氫的1S-3S躍遷進行了雙光子紫外直接頻率梳光譜分析，以闡明所謂的質子半徑之謎，並證明這種方法的潛力。質子半徑之謎是指介子氫和常規原子氫所得數據之間的顯著差異，這在量子電動力學框架內無法解釋。通過將研究組的結果與之前對1S-2S躍遷頻率的測量結果相結合，研究組得出了裡德堡常數的最新值。
  • 精密測量院等在飛秒強雷射調控二聚體分子超快動力學研究中獲進展
    近日，中國科學院精密測量科學與技術創新研究院研究員柳曉軍團隊與奧地利維也納工業大學研究人員合作，在飛秒強雷射與團簇分子相互作用研究中，發現了一種在亞光學周期時間尺度內發生的雷射誘導電子轉移（LITE）現象，為利用飛秒強雷射控制複雜分子化合物的超快動力學開闢了一條新途徑。光誘導電荷轉移是自然界普遍存在的一種微觀超快物理過程，對光催化和光合反應等起著至關重要的作用。
  • 雷射原理基礎知識總結
    如何計算縱模的頻率、縱模頻率間隔和縱模的數目？縱模頻率間隔4、高斯光束的表徵方法：用束腰半徑及束腰位置表徵；用光斑半徑及等相位面曲率半徑表徵。5、分別用公式表示高斯光束的有效截面半徑、束腰半徑、鏡面光束半徑、波陣面的曲率半徑。6、高斯光束的遠場發散角與衍射極限。7、高斯光束的亮度與哪些參數有關？
  • 雙光子顯微鏡30年:當螢光分子遇見飛秒雷射
    Winfried Denk谷歌學術頁面截圖雙光子顯微鏡論文被引用超1萬次Denk很快就將雙光子顯微鏡用於神經元成像，而1997年在Svoboda測量完整老鼠大腦的錐體神經元的感官刺激誘導樹突鈣離子動態後，雙光子顯微鏡的潛能開始完全凸顯。
  • 脈衝雷射:功率和能量計算
    TIBERIUS飛秒雷射器在800 nm處的平均功率大於2.3 W，重頻為77 MHz，其脈衝能量最接近以下哪個值？
  • 混合飛秒雷射3D微/納加工
    下文章來源於IJEM ，作者Editorial Office，江蘇雷射聯盟轉載文章連結：Koji Sugioka.簡介目前雷射作為各種材料加工合成的必要工具而被廣泛應用，其中超快雷射（飛秒雷射和皮秒雷射）常用來實現低環境負荷、高品質、高效率的材料製備。基於超快雷射，已成功研發的技術包括：3D微/納米製造技術、大縱橫比加工技術、新型材料合成技術等，這些技術已經應用在生物晶片及高功能光子、電子微/納米器件製造中。在這些技術中，本文對3D微/納米製造技術進行介紹。
  • 安揚雷射發布工業級紫外飛秒雷射器
    2019年1月10日，武漢安揚雷射正式對外發布了FemtoYLTM-UV高功率紫外飛秒雷射器，這是安揚雷射FemtoYLTM系列飛秒光纖雷射器產品中的新成員。FemtoYLTM－UV高功率紫外飛秒雷射器據介紹，FemtoYL
  • 物理所「阿秒雷射脈衝的產生與測量裝置」通過成果鑑定
    中國科學院物理研究所光物理重點實驗室在多年研究的基礎上，利用自己組建的阿秒雷射產生與測量裝置成功地獲得了單個阿秒雷射脈衝。3月19日，該項研究成果通過了由中科院組織的專家鑑定。　　阿秒雷射脈衝（1阿秒=10-18秒，為千分之一飛秒，1飛秒為千萬億分之一秒）是目前人們所能控制的最短時間過程，可以用來測量原子內繞核運動電子的動態行為等超快物理現象。自本世紀初誕生以來，已在凝聚態物理、原子分子物理、X射線雷射物理、化學等方面取得了系列重大應用突破。
  • 飛秒雷射和準分子雷射的區別
    「飛秒雷射」這個名詞，對於了解近視手術的朋友都不陌生了，但是，眼科門診中還是會遇到這樣的提問，「飛秒雷射是否術後就沒有疼痛感了？」「是不是飛秒雷射能達到2.0？要不然怎麼那麼貴？」其實，這都是對飛秒雷射和準分子雷射不了解所致。
  • 高考體檢及軍校國防生軍檢 6D全能飛秒雷射保駕護航
    現在，由於準分子雷射手術20餘年安全性、可靠性得到了廣泛認可，而且近視手術的設備和技術不斷發展成熟，越來越多的近視考生選擇了近視手術來越過視力檢查的門檻，順利拿到高考錄取通知書。6D全能飛秒雷射，極致納焦飛秒，作為近視手術中先進的手術方式，也越來越受到信任和歡迎。
  • 飛秒雷射製備FBG有何技術及應用優勢？
    2）飛秒雷射直寫法飛秒雷射直寫法是利用顯微物鏡將飛秒雷射聚焦在光纖內部，通過光纖的精密移動逐一寫出FBG的每一個周期結構。其研究過程主要從點到線，再到面的一個過程。由於光纖對該波長雷射的吸收低於800 nm飛秒雷射，因此以摻鐿飛秒雷射放大器為光源刻寫FBG的工作效率相對較低。為了提高FBG的刻寫效率，更多的是利用摻鐿飛秒雷射放大器輸出雷射的倍頻和三倍頻雷射刻寫FBG，特別是在利用相位掩模板法製備FBG中。目前，刻寫布拉格光柵的飛秒雷射主要採用高斯光束。
  • 中國學者用飛秒雷射製備量子存儲器
    中國學者用飛秒雷射製備量子存儲器 2020-03-08 20:15:40 來源：中國新聞網 作者：田博群 責任編輯：田博群