创新旋转中空针设计实现高功率激光微斑精确测量与等效散射效率分析

本文创新性提出采用无氧铜基底与陶瓷散射体构成的旋转中空针结构，通过镀膜工艺增强激光接收面反射率，建立了等效散射截面模型并验证其在高功率密度微斑测量中的卓越性能。实验表明该设计在等效散射效率(2–20)×10?9范围内可实现10%以内的功率预测偏差，为高功率连续波激光（CW）实时监测提供了关键技术支撑。

　　

测量原理

高功率激光微斑监测仪的核心是通过高速旋转中空针扫描目标激光束。针尖微孔对入射激光进行散射采样，少量散射激光被导向探测器（如图1所示）。首先进行平面阵列扫描：固定于平台的高速旋转中空针通过水平旋转与平移收集足量功率数据，结合轴向重复扫描可重建三维激光分布。

结构描述

陶瓷作为多相无机材料，其微观缺陷（气孔、晶界第二相、杂质）会导致孔隙散射、晶界第二相散射和晶界表面散射，进而影响激光输出性能。为优化散射效果，本研究采用特殊陶瓷结构设计。

实验装置

为评估旋转中空针检测性能，初步搭建实验系统（图5）。超净实验室为22°C暗室，采用近红外（NIR）激光@1064 nm（IPG YLR-1000-WC，腰半径r₀≈233 μm，光束质量因子M²=1.08）模拟实际工况。激光经声光调制器（AOM）调制成脉冲激光，通过透镜聚焦后由针体散射，最终由探测器（Thorlabs PDA50B-EC）记录数据。

激光频率与占空比对检测功率的影响

镀银旋转中空针的检测功率（P_det）与操作参数（频率、占空比）的关系可通过第3节理论框架解读（图6）。根据公式(2)，P_det与散射功率（P_s）成正比；公式(1)进一步定义P_s与入射功率（P_i）、等效散射效率（η_s）及材料特性（ρ, σ_s）的乘积相关。高频条件下检测功率与频率呈近似线性关系，而低频时响应较弱或无响应。

结论

1. 1.

   高占空比下检测功率与频率呈近线性关系，而低频率与低占空比时响应微弱。该现象与陶瓷热特性及探测器灵敏度相关，证实了该设计对高功率、大直径微斑测量无响应缺失问题。