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終端光束發(fā)散角(或會(huì)聚角)檢測(cè)

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發(fā)布時(shí)間：2025-08-09 16:54:37 更新時(shí)間：2025-08-08 16:54:38

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作者：中科光析科學(xué)技術(shù)研究所檢測(cè)中心

引言

終端光束發(fā)散角（或會(huì)聚角）檢測(cè)是光學(xué)工程和激光技術(shù)領(lǐng)域中的一項(xiàng)核心測(cè)量任務(wù)，它涉及評(píng)估光束在傳播過(guò)程中的角度擴(kuò)展或收斂特性。光束發(fā)散角定義為光束傳播方向上單位距離內(nèi)光束寬度增加的角度（通常以毫弧度或度為單位），而會(huì)聚角則描述光束在聚焦點(diǎn)處的收斂角度。這些參數(shù)直接影響光學(xué)系統(tǒng)的性能：發(fā)散角過(guò)大會(huì)導(dǎo)致能量損失、精度下降，例如在激光切割、光通信或醫(yī)療激光應(yīng)用中，可能引發(fā)加工誤差或信號(hào)衰減；反之，發(fā)散角過(guò)小則可能限制應(yīng)用范圍。檢測(cè)這些角度的必要性源于確保設(shè)備效率、優(yōu)化光束質(zhì)量（如M2因子），以及滿足工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的需求。在現(xiàn)代技術(shù)中，隨著高功率激光器和精密光學(xué)器件的普及，精確測(cè)量發(fā)散角或會(huì)聚角已成為質(zhì)量控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，有助于預(yù)防系統(tǒng)故障、提升能源利用率，并推動(dòng)創(chuàng)新應(yīng)用如量子通信和納米制造的發(fā)展。

檢測(cè)項(xiàng)目

終端光束發(fā)散角（或會(huì)聚角）檢測(cè)的核心項(xiàng)目包括發(fā)散角測(cè)量、會(huì)聚角分析，以及相關(guān)衍生參數(shù)的評(píng)估。主要檢測(cè)項(xiàng)目有：發(fā)散角角度值（以毫弧度或度為單位），通過(guò)計(jì)算光束在特定距離下的寬度變化得出；會(huì)聚角參數(shù)（聚焦點(diǎn)處的角度），評(píng)估光束的收斂特性；光束質(zhì)量因子（如M2因子），量化光束的整體性能；以及光束輪廓變化（如高斯分布分析）。這些項(xiàng)目旨在全面評(píng)估光學(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，例如在激光加工中，檢測(cè)發(fā)散角變化可識(shí)別透鏡老化或?qū)R問(wèn)題；在光通信中，會(huì)聚角分析則有助于優(yōu)化信號(hào)傳輸效率。典型檢測(cè)目標(biāo)包括最小和最大角度范圍（如0.5 mrad至5 mrad），以滿足特定應(yīng)用場(chǎng)景的需求。

檢測(cè)儀器

用于終端光束發(fā)散角（或會(huì)聚角）檢測(cè)的儀器主要包括光束分析儀、激光發(fā)散角測(cè)量系統(tǒng)，以及其他輔助設(shè)備。光束分析儀（如CCD相機(jī)或CMOS傳感器系統(tǒng)）是核心工具，能高精度捕捉光束輪廓，通過(guò)軟件計(jì)算角度變化；激光發(fā)散角測(cè)量系統(tǒng)（例如Ophir-Spiricon系列）專門設(shè)計(jì)用于自動(dòng)化測(cè)量，集成了位置傳感器和數(shù)據(jù)分析模塊。輔助儀器包括激光功率計(jì)（用于校準(zhǔn)光束強(qiáng)度）、干涉儀（如Shack-Hartmann波前傳感器，用于高級(jí)波前分析），以及刀口掃描裝置（用于傳統(tǒng)測(cè)量）。這些儀器適用于不同場(chǎng)景：光束分析儀適用于實(shí)驗(yàn)室精測(cè)（精度可達(dá)0.1 mrad），而便攜式發(fā)散角測(cè)量系統(tǒng)則用于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。選擇時(shí)需考慮精度（如±1%）、動(dòng)態(tài)范圍和環(huán)境適應(yīng)性（如抗干擾能力）。

檢測(cè)方法

終端光束發(fā)散角（或會(huì)聚角）的檢測(cè)方法主要包括遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量法、掃描縫隙法和刀口法，這些方法基于光學(xué)原理，確保非破壞性、高精度測(cè)量。遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量法是最常用的方法，步驟如下：首先，在安全環(huán)境下設(shè)置激光源，確保光束穩(wěn)定；然后，使用光束分析儀在多個(gè)距離點(diǎn)（如1m和2m）捕捉光束輪廓，通過(guò)軟件計(jì)算光束寬度（D1和D2），并應(yīng)用公式發(fā)散角θ = (D2 - D1) / L（L為距離差）；最后，分析數(shù)據(jù)以角度值。掃描縫隙法涉及移動(dòng)縫隙裝置，逐步測(cè)量光束強(qiáng)度分布；刀口法則用鋒利邊緣阻擋光束，記錄遮擋點(diǎn)來(lái)推算角度（適用于低功率激光）。方法選擇取決于應(yīng)用：遠(yuǎn)場(chǎng)法適用于高精度需求（誤差<2%），而刀口法更經(jīng)濟(jì)。關(guān)鍵注意事項(xiàng)包括環(huán)境控制（減少空氣擾動(dòng)）和設(shè)備校準(zhǔn)，避免誤判。

檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

終端光束發(fā)散角（或會(huì)聚角）檢測(cè)遵循國(guó)際和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，以確保測(cè)量的一致性和可靠性。核心標(biāo)準(zhǔn)包括ISO 11146系列：ISO 11146-1:2005“激光束發(fā)散角的測(cè)量原理”規(guī)定了基本方法和設(shè)備要求；ISO 11146-2:2005則專注于實(shí)際測(cè)量程序。在中國(guó)，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13739-2019“激光束參數(shù)測(cè)量方法”提供了本土化指導(dǎo)，涵蓋發(fā)散角和會(huì)聚角的測(cè)試規(guī)范。行業(yè)特定標(biāo)準(zhǔn)如IEC 60825-1（激光安全）也涉及角度檢測(cè)，以確保合規(guī)。這些標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)調(diào)測(cè)試條件（如環(huán)境溫度20±5°C）、報(bào)告格式（需包括角度值和不確定性分析），以及認(rèn)證流程（要求定期儀器校準(zhǔn)）。遵守標(biāo)準(zhǔn)不僅能提升檢測(cè)準(zhǔn)確性，還能支持國(guó)際互認(rèn)，避免貿(mào)易壁壘。