基于自混合干涉技术的激光功率与光斑尺寸一体化测量原型系统研究

本文推荐一种创新性激光测量技术：通过自混合干涉（SMI）原理，利用监测光电二极管（photodiode）反馈电流变化，实现激光功率（10-50 mW）和光斑尺寸（误差<1%）的单设备同步检测。相比传统CCD光束分析仪（8000）和功率计（2000）分体方案，该一体化原型成本降低85%，在密闭空间场景中更具优势，测量精度达97.37%-99.85%，为激光加工（cutting/welding）和医疗激光（medicine laser）应用提供高效解决方案。

　　

亮点应用

激光自混合干涉（Laser Self-Mixing Interferometry, SMI）技术自1963年发现以来，已广泛应用于位移（displacement）、速度（velocity）和振动（vibration）检测领域。当激光二极管（LD）发射的激光被目标物反射回谐振腔时，反馈光会与增益介质相互作用，改变激光输出特性——这种自混合信号（SMS）成为我们实现双参数测量的物理基础。

光路38mm处激光二极管的光斑尺寸检测

我们前期研究[11]已证实该原型对高斯光束（Gaussian beam）和平顶光束（top-hat beam）的普适性。本次实验进一步验证：在10mW/30mW/50mW不同功率和38mm/58mm双光路条件下，激光二极管的光斑尺寸保持稳定（误差<1%）。关键创新在于采用刀口法（knife-edge）结合反射白板，通过监测光电二极管电流振荡次数推算光束半高宽（FWHM）。

一体化原型的双参数检测性能

表1-2显示不同功率/光路下的光斑尺寸检测误差均<1%。图10a/13a揭示：刀口法扫描获得的FWHM始终小于CCD传感器数据，且振动曲线稳定——这归因于反射过程中光子数损耗导致的信号衰减。功率检测方面，通过贴有回归反射膜（retro-reflective tape）的白纸反射，系统在405-650nm波段均实现>97%的功率测量精度。

结论

本研究首创将激光功率与光斑尺寸测量集成于单个自混合原型，突破传统CCD光束分析仪（需8000）和功率计（需2000）的分体式局限。实验表明：通过分析背向散射光（back-scattered light），系统在变功率（10-50mW）和变光路（38-58mm）条件下均保持<1%的尺寸误差和>97%的功率精度，为激光医疗（如手术刀校准）和精密加工（如微焊监测）提供高性价比解决方案。