雖然提高激光器的功率可以加快材料加工操作的結(jié)果，但通過光束測量工具常會發(fā)現(xiàn)這樣只會將激光能量分散到更大區(qū)域，從而降低對目標(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)，但是不會出現(xiàn)如焊接過熱的情況，防止最終成果不理想。
激光操作員并不總能快速、容易地評估激光加工工具的光束質(zhì)量。過去，他們依靠壓舌板、橘子皮，甚至工作臺末端的墻壁來觀察、測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量某些脈沖激光器強(qiáng)度的工具。通過測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，人們也曾使用肉類溫度計(jì)和電冰球等設(shè)備進(jìn)行測量，它們所顯示的讀數(shù)通常只是一個大概估計(jì)值，缺乏當(dāng)今測量設(shè)備的精確性和易用性。

圖1：早期的激光光束測量工具依賴燒紙，因?yàn)樗茱@示光束尺寸的大致量級，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)精確的測量系統(tǒng)也得到了相應(yīng)發(fā)展，但測量系統(tǒng)既受其支持，也受其抑制。測量激光應(yīng)用特性技術(shù)的同步增長，推動了激光應(yīng)用的許多進(jìn)展。從最初追求便捷的激光光束測量產(chǎn)品，到已成為現(xiàn)今精心設(shè)計(jì)的激光測量解決方案基礎(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)對測量激光參數(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量儀

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)體傳感器測量每個脈沖中包含的能量。商用激光能量傳感器能夠測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：非冷卻激光功率測量系統(tǒng)可以方便地對工作樓層進(jìn)行強(qiáng)度測量，甚至對如增材制造系統(tǒng)那樣的狹小、受限的空間進(jìn)行強(qiáng)度測量（來源：MKS/Ophir公司）

激光的截面強(qiáng)度分布即光束輪廓，是另一個經(jīng)常需要測量的重要參數(shù)。光束輪廓分析儀可以給出一個失調(diào)諧振腔的視覺指示或輸出光，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題。光束輪廓分析產(chǎn)品可測出光束的強(qiáng)度、尺寸、位置和徑向?qū)ΨQ性的數(shù)值分析——或平頂光束均勻性。對數(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，記錄工藝參數(shù)的一致性。

掃描孔徑傳感器也可用于測量光束輪廓，用短時間內(nèi)以光束通過一個狹縫或微孔平移的方法進(jìn)行測量。基于光圈的傳感器對光學(xué)衰減的要求非常低（如果有的話），因?yàn)橹挥袠O微小的激光會通過縫隙傳到單元探測器上。
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時飽和。用于測量光束輪廓的光衰減器可以安全地提供多達(dá)16個數(shù)量級的光衰減，對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)量和平整性優(yōu)異等優(yōu)勢，能成功滿足千瓦級激光光束采樣系統(tǒng)所必需的一些要求。

圖3：現(xiàn)今，激光測量系統(tǒng)的可測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（來源：Coherent相干公司）

輪廓分析儀

熱釋電、硅線陣列探測器以及掃描孔徑產(chǎn)品，被早期的激光創(chuàng)新者用來監(jiān)測其不可見激光束的強(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，將從短波到長波紅外范圍激光束的特征描繪出來，因?yàn)檫@些陣列是唯一可用來探測這些波長的工具。

現(xiàn)今，1980年代的8位模擬相機(jī)已經(jīng)升級為12位和14位的百萬像素版本，具有巨大的動態(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，以及熱釋電和微測輻射熱儀攝像機(jī)，被廣泛用于監(jiān)測中波和低波激光。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繁多，可實(shí)現(xiàn)完整的激光光譜覆蓋，從紫外線到長波紅外線（LWIR）。掃描狹縫系統(tǒng)和掃描針孔系統(tǒng)對激光光束的光學(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，而不會損壞傳感器或光束采樣儀。

現(xiàn)今的功率測量

連續(xù)波或脈沖激光器的非冷卻激光功率測量系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)車間內(nèi)可便捷使用的監(jiān)測光束強(qiáng)度。現(xiàn)今的系統(tǒng)，比如Ophir公司的Ariel儀器，無需水冷，就能輸出高達(dá)8000W功率的光，以測量典型處理功率密度下的非聚焦光束。此類儀器可用于測量增材制造、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)一步說明了光束分析是如何從實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)入制造車間內(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，提供微秒級的校準(zhǔn)功率傳感水平和脈沖形狀監(jiān)測。

非接觸測量

用于組裝燃料電池和焊接電池組件的千瓦級光纖和碟片激光器，現(xiàn)在可以通過非接觸光束輪廓系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測。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)用成功的一個特別關(guān)鍵的指標(biāo)。當(dāng)前的測量解決方案還可以存儲數(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監(jiān)測整個聚焦區(qū)域、光束焦散和激光功率。從這些測量中獲得的圖像確定了激光過程中的可用輻射度輪廓。測量每個工藝前后的激光參數(shù)可能會略微減慢工藝過程，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)測參數(shù)——如激光功率、能量和工件輻射度——會浪費(fèi)寶貴的材料和加工時間，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，并對最終產(chǎn)品壽命產(chǎn)生負(fù)面影響。

接下來還會出現(xiàn)什么？

幾十年來，激光技術(shù)憑借測量系統(tǒng)工藝促進(jìn)了應(yīng)用增長，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)用直接受益于測量技術(shù)。持續(xù)采用激光工具，依賴于對關(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。

在激光測量工具的開發(fā)中，獨(dú)創(chuàng)性一直發(fā)揮著作用。目前的監(jiān)測技術(shù)有助于實(shí)現(xiàn)激光材料加工的下一場革命。對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，激光系統(tǒng)性能監(jiān)測可能會被標(biāo)準(zhǔn)化，以持續(xù)記錄正確的輻射度，用于流程監(jiān)測。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將激光器與這個流程分開。通過穩(wěn)定、可重復(fù)的流程，激光系統(tǒng)性能監(jiān)測也能保障產(chǎn)出高質(zhì)量產(chǎn)品，以確保高附加值激光加工會帶來的益處。

圖4：非接觸激光分析儀可以同時監(jiān)測全聚焦區(qū)焦散情況及激光功率（ 來源：MKS/Ophir 公司）

新技術(shù)和測量技術(shù)無疑將隨之而來，為激光加工和光的關(guān)鍵新應(yīng)用帶來新的革命性進(jìn)展。接下來還會發(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)用將會增加。

最后，在流程前和流程中測量激光參數(shù)將變得更加容易，便于操作員在問題發(fā)生時修復(fù)問題，防止他們在不了解過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)測高功率激光系統(tǒng)的性能。快速、非冷卻的功率傳感器和非接觸光束輪廓工具使得測量變得又簡單又經(jīng)濟(jì)。激光先驅(qū)們早就意識到精確、可重復(fù)測量的必要性。