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基準(zhǔn)軸上的光強(qiáng)測(cè)試檢測(cè)

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發(fā)布時(shí)間：2025-07-22 09:54:41 更新時(shí)間：2025-07-21 09:54:41

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作者：中科光析科學(xué)技術(shù)研究所檢測(cè)中心

基準(zhǔn)軸上的光強(qiáng)測(cè)試檢測(cè)概述

基準(zhǔn)軸上的光強(qiáng)測(cè)試檢測(cè)是光學(xué)測(cè)量領(lǐng)域的一項(xiàng)核心工作，尤其在激光系統(tǒng)、照明設(shè)備、光學(xué)傳感器、光通信元件等產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)與品質(zhì)控制環(huán)節(jié)中至關(guān)重要。它專門用于評(píng)估光源（如激光器、LED）或光學(xué)系統(tǒng)沿著其理論中心軸線（基準(zhǔn)軸）方向上的光強(qiáng)度分布特性。精確測(cè)定基準(zhǔn)軸上的光強(qiáng)及其分布均勻性、穩(wěn)定性、峰值位置等參數(shù)，對(duì)于確保光學(xué)系統(tǒng)的性能指標(biāo)（如光束質(zhì)量、指向精度、照射效率）符合設(shè)計(jì)要求、驗(yàn)證產(chǎn)品一致性以及評(píng)估長(zhǎng)期可靠性具有決定性意義。理解并掌握其檢測(cè)項(xiàng)目、儀器、方法與標(biāo)準(zhǔn)，是進(jìn)行有效光學(xué)質(zhì)量管控的基礎(chǔ)。

主要檢測(cè)項(xiàng)目

圍繞基準(zhǔn)軸的光強(qiáng)測(cè)試，核心檢測(cè)項(xiàng)目通常包括：

1. 軸向光強(qiáng)分布： 沿著基準(zhǔn)軸方向（Z軸），測(cè)量并繪制光強(qiáng)度隨傳播距離變化的曲線。這有助于評(píng)估光束的聚焦特性（如焦點(diǎn)位置、焦深）和發(fā)散度。
2. 峰值光強(qiáng)： 在沿軸掃描過程中，識(shí)別并測(cè)量光強(qiáng)分布曲線上的最大值點(diǎn)，即軸向峰值光強(qiáng)。
3. 光束中心位置（軸向）： 確定沿軸方向上光強(qiáng)分布對(duì)稱中心的位置，驗(yàn)證其是否與預(yù)設(shè)的基準(zhǔn)軸重合，評(píng)估指向穩(wěn)定性。
4. 軸向光強(qiáng)均勻性： 在基準(zhǔn)軸上的特定區(qū)域（如焦平面附近、工作距離處）測(cè)量光強(qiáng)的空間均勻性。
5. 軸向光強(qiáng)穩(wěn)定性： 在連續(xù)工作或特定時(shí)間周期內(nèi)，監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)軸上某點(diǎn)（通常是峰值點(diǎn)或工作點(diǎn)）光強(qiáng)的變化程度。
6. 光功率/能量（軸向）： 在基準(zhǔn)軸特定位置測(cè)量通過已知孔徑的總光功率或單脈沖能量（針對(duì)脈沖光源）。

關(guān)鍵檢測(cè)儀器

執(zhí)行基準(zhǔn)軸光強(qiáng)測(cè)試需要依賴精密的專業(yè)儀器：

1. 精密光功率/能量計(jì)： 核心測(cè)量設(shè)備，用于將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并量化光強(qiáng)或能量。要求具有高靈敏度、寬動(dòng)態(tài)范圍、良好的線性度和校準(zhǔn)溯源。
2. 軸向位移平臺(tái)： 高精度、高直線度的電動(dòng)或手動(dòng)位移平臺(tái)，用于沿基準(zhǔn)軸方向精確移動(dòng)探測(cè)器（功率計(jì)探頭）或被測(cè)光源，實(shí)現(xiàn)軸向掃描。分辨率通常需達(dá)到微米(μm)甚至亞微米級(jí)。
3. 光束分析儀/CCD相機(jī)（可選但推薦）： 用于輔助確認(rèn)光束在橫向平面的中心位置，確保探測(cè)器在掃描過程中始終精確位于光束的橫向中心（即基準(zhǔn)軸）上。對(duì)于非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱光束尤為重要。
4. 準(zhǔn)直/聚焦系統(tǒng)（根據(jù)需求）： 若被測(cè)對(duì)象非平行光或點(diǎn)光源，可能需要準(zhǔn)直鏡或聚焦透鏡來模擬實(shí)際應(yīng)用條件或調(diào)整光束特性以便測(cè)量。
5. 光闌/可變孔徑： 用于限定測(cè)量區(qū)域、消除雜散光或進(jìn)行光通量控制。
6. 高穩(wěn)定性光源驅(qū)動(dòng)/供電單元： 確保被測(cè)光源在測(cè)試期間輸出穩(wěn)定。
7. 數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)： 軟件控制位移平臺(tái)移動(dòng)、同步采集功率計(jì)數(shù)據(jù)、進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄、處理（如平滑、求導(dǎo)找峰值）和可視化（繪制軸向光強(qiáng)分布曲線）。

標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法

典型的基準(zhǔn)軸光強(qiáng)測(cè)試流程如下：

1. 系統(tǒng)搭建與校準(zhǔn)：
* 確保光功率計(jì)/能量計(jì)已按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校準(zhǔn)，并設(shè)置正確的波長(zhǎng)參數(shù)。
* 將被測(cè)光源（或包含光源的光學(xué)系統(tǒng)）牢固安裝于位移平臺(tái)的一端，其理論光軸（基準(zhǔn)軸）盡可能與位移平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)軸線重合。使用光束分析儀精確調(diào)整，使光束橫向中心與平臺(tái)運(yùn)動(dòng)軸重合。
* 將光功率計(jì)的探頭（探測(cè)器）固定于位移平臺(tái)的滑塊上，確保探測(cè)面垂直于基準(zhǔn)軸。調(diào)整探測(cè)面位置，使其精確位于光束的橫向中心。
* 設(shè)置合適的光闌尺寸，確保測(cè)量區(qū)域包含整個(gè)光束核心或關(guān)注區(qū)域。

2. 軸向掃描與數(shù)據(jù)采集：
* 設(shè)定掃描的起始點(diǎn)、終止點(diǎn)和步長(zhǎng)。掃描范圍應(yīng)覆蓋預(yù)期的焦點(diǎn)位置或工作區(qū)域。
* 通過軟件控制位移平臺(tái)沿基準(zhǔn)軸方向（Z軸）以設(shè)定步長(zhǎng)逐步移動(dòng)探測(cè)器（或光源）。
* 在每一個(gè)掃描位置（Z坐標(biāo)點(diǎn)），記錄光功率計(jì)讀數(shù)的穩(wěn)定值（通常取多次測(cè)量平均值）。
* 記錄對(duì)應(yīng)的Z軸位置坐標(biāo)和光強(qiáng)值。

3. 數(shù)據(jù)處理與分析：
* 將采集到的數(shù)據(jù)（位置Z vs 光強(qiáng)I）繪制成軸向光強(qiáng)分布曲線(I-Z曲線)。
* 通過算法（如尋找最大值、擬合曲線求導(dǎo)零點(diǎn)）確定峰值光強(qiáng)(I_max)及其對(duì)應(yīng)的軸向位置(Z_focus)。
* 根據(jù)要求，計(jì)算特定位置（如Z_focus ± ΔZ處）的光強(qiáng)均勻性（如最大/最小值比或標(biāo)準(zhǔn)偏差）。
* 評(píng)估光束中心位置（通常以峰值位置Z_focus代表）與預(yù)設(shè)基準(zhǔn)位置的偏差。
* 如需穩(wěn)定性測(cè)試，則在關(guān)鍵點(diǎn)（如Z_focus）進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)監(jiān)測(cè)或重復(fù)測(cè)量，計(jì)算光強(qiáng)波動(dòng)范圍（峰峰值或均方根值）。

4. 環(huán)境控制： 測(cè)試通常在控溫、低振動(dòng)、低雜散光的暗室環(huán)境中進(jìn)行，以減小環(huán)境干擾。

主要檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

基準(zhǔn)軸光強(qiáng)測(cè)試的實(shí)施需參考或遵循相關(guān)的國(guó)家、行業(yè)或國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，常見的包括：

1. 基礎(chǔ)性標(biāo)準(zhǔn)：
* ISO/CIE 標(biāo)準(zhǔn)： 如ISO/CIE 19476:2014 (E) 《光學(xué)和光子學(xué) — 激光器與激光相關(guān)設(shè)備 — 激光束功率(能量)密度分布的測(cè)試方法》雖然更側(cè)重橫向，但其關(guān)于功率/能量測(cè)量、探測(cè)器校準(zhǔn)、環(huán)境條件的要求是通用的基礎(chǔ)。
* IEC 標(biāo)準(zhǔn)： 如IEC 60825-1 《激光產(chǎn)品的安全第1部分：設(shè)備分類、要求》中涉及激光功率/能量測(cè)量的方法。
* GB/T（國(guó)標(biāo)）： 中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，例如GB/T 15175-2012《固體激光器主要參數(shù)測(cè)試方法》可能包含軸向光強(qiáng)或功率密度的相關(guān)測(cè)試要求。GB/T 26179-2010《光輻射安全第1部分：設(shè)備分類、要求》等效于IEC 60825-1。

2. 產(chǎn)品/行業(yè)特定標(biāo)準(zhǔn)：
* 針對(duì)特定類型的光源（如半導(dǎo)體激光器、光纖激光器、LED）、光學(xué)系統(tǒng)（如投影鏡頭、顯微鏡物鏡）或應(yīng)用（激光加工、光通信），可能有更具體的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或企業(yè)內(nèi)部規(guī)范詳細(xì)規(guī)定基準(zhǔn)軸光強(qiáng)測(cè)試的條件、方法和驗(yàn)收指標(biāo)。
* 例如，在半導(dǎo)體激光器行業(yè)，會(huì)詳細(xì)規(guī)定在特定工作電流、溫度下，沿快軸和慢軸方向（可視為二維基準(zhǔn)軸）的光強(qiáng)分布參數(shù)要求及測(cè)試方法。

3. 校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)： 用于校準(zhǔn)功率計(jì)/能量計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)（如JJG 245-2005《光照度計(jì)檢定規(guī)程》，JJG 963-2002《通信用光功率計(jì)檢定規(guī)程》等）是確保測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確可靠的前提。

選擇和應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵在于： 明確被測(cè)對(duì)象的類型、應(yīng)用場(chǎng)景以及需要滿足的性能指標(biāo)，從而選取最適用、最新的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范測(cè)試流程和判定依據(jù)。企業(yè)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)通常會(huì)結(jié)合國(guó)標(biāo)/行標(biāo)以及自身產(chǎn)品特性制定更嚴(yán)格或細(xì)化的要求。