大気中のラマン散乱現象を利用したレーザービーム品質の非接触モニタリング

利用大气中的拉曼散射现象非接触式监测激光束质量

基本信息

批准号：
22K04768
负责人：
宮崎浩一
金额：
$ 2.66万
依托单位：
Kurume National College of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K04768/
关键词：
レーザービーム品質ラマン散乱ビームプロファイル

项目摘要

本研究の目的は、レーザー加工等に用いられる高出力レーザーのレンズ集光時のビーム品質を、加工時に発生する微粒子によるミー散乱や迷光等のノイズの影響を抑制し、ビームを遮らずに非接触でモニタリングできる、大気中の気体分子によるラマン散乱現象を利用した測定法を確立することである。昨年度は、散乱光測定のための光学系の設計および測定装置の準備を行った。光学系の設計において、YAGレーザーの第二高調波を測定対象とし、ビーム品質計測に関する国際規格を満たすように、レーザー光をレンズで集光したときのビームウェイストでの空間分解能を1/20以下とし、ビームウェイスト前後のレイリーレンジの5倍の長さで発生した気体散乱光を測定することとした。この散乱光をビーム軸に対して直方向からイメージセンサ上に集光するには、縦横で倍率が異なるアナモルフィックレンズが必要であることがわかった。上記の規格を満たすように光学系の倍率を決定し、この光学系でビーム品質を測定可能なレーザー集光レンズの焦点距離を求めた。CT法によりビームプロファイルを求めるには、ビーム断面において線積分した散乱光がイメージセンサの各画素へ入射するように、散乱光の波長と光学系のF値に比例する回折限界で決まる分解能がメージセンサの画素サイズ以下で、分解能とF値に比例する被写界深度がレーザー光のビーム径より長い、光学系が必要であることがわかった。設計した光学系においてレーザーのエネルギーとイメージセンサにおける光電子数の関係を求め、ビーム品質測定可能なレーザーエネルギーの最低値について考察した結果、ラマン散乱光を測定して、従来のビーム品質測定法での結果と比較するには、光増幅を行うイメージインテンシファイアが必要であることがわかった。これに基づき、イメージインテンシファイアおよびその関連機器を購入し、計測システムの準備を進めている。

本研究的目的是通过抑制加工过程中产生的微粒所产生的米氏散射和杂散光等噪声的影响，提高激光加工等中使用的高功率激光的透镜聚焦时的光束质量。，并通过在不遮挡光束的情况下提高光束质量，建立一种利用大气中气体分子引起的拉曼散射现象，通过接触进行监测的测量方法。去年，我们设计了一个光学系统，并准备了一个测量散射光的测量装置。在设计光学系统时，我们测量了YAG激光器的二次谐波，为了满足光束质量测量的国际标准，我们的目标是将激光束在光束浪费处的空间分辨率降低到1/20或更小。我们决定用透镜聚焦来测量光束浪费之前和之后在五倍瑞利范围内产生的气体散射光。人们发现，为了将这种散射光从垂直于光束轴的方向聚焦到图像传感器上，需要在垂直和水平方向上具有不同放大倍率的变形镜头。确定了光学系统的放大倍数满足上述标准，并确定了用该光学系统测量光束质量的激光聚光透镜的焦距。为了使用CT方法获得光束轮廓，图像传感器确定由散射光的波长和衍射极限决定的分辨率，该分辨率与光学系统的F值成正比，使得线积分散射光束横截面中的光线入射到图像传感器的每个像素上。我们发现，像素尺寸小于的光学系统，其景深（与分辨率和 F 数成正比）大于。需要激光束直径。通过确定所设计的光学系统中激光能量与图像传感器中光电子数之间的关系，并考虑可以测量光束质量的激光能量的最小值，我们测量了拉曼散射光，发现它结果发现需要使用进行光学放大的图像增强器来比较结果。基于此，我们购买了像增强器和相关设备，并正在准备测量系统。