米乐m6官方网站物理测量标准研究部应用光学测量研究组首席研究员沼田贵之（以下简称“AIST”）开发了一种使用可见光半导体图像传感器的中红外激光器光束直径测量技术。
这是半导体图像传感器热激发电子中红外激光光束直径通常采用半导体图像传感器可见光的测量中，热激发电子被视为噪声源。然而，这项技术改变了这种先入之见，将热激发电子视为信号源。使用中红外激光对成像设备进行点加热，以检测设备上产生的热激发电子的分布。通过评估热激发电子的分布与激光束直径之间的相关性，可以基于热激发电子的分布来估计入射激光的光束直径。该技术使得在现场使用小型、低成本、易于操作的设备测量中红外激光的光束直径成为可能，有助于各种中红外激光应用技术的发展，包括各种材料加工和微创医学。
该技术的详细信息将于 2022 年 8 月 31 日（英国时间）公布。应用物理快车''杂志上。
近年来，中红外激光器越来越多地应用于材料加工和先进医学等领域。特别是在亚克力等有机材料的加工和微创治疗应用中，照射到目标的激光功率密度影响加工质量和医疗安全，因此测量和管理激光束直径至关重要。中红外光是不可见的，因此测量光束直径并不容易。迄今为止，已经开发了各种光束直径测量技术，包括使用狭缝或针孔等空间滤波器扫描光束横截面的方法、观察荧光的方法以及使用具有微型红外探测器阵列的成像装置的方法。然而，它们都存在设备尺寸（边长超过10厘米）和安装成本（超过数百万日元）等问题。
AIST 开发出加工激光功率控制技术（2017 年 6 月 14 日 AIST 新闻稿））激光器的精密测控技术、高输出激光功率的精密测量技术、光束分析仪的评估技术等方面的研究和开发。这次，我们在利用这些研发活动中积累的技术的同时，基于新的想法对中红外激光器的光束直径测量技术进行了研究。
这项研究和开发得到了日本学术振兴会科学研究资助金（编号：15K13984）的支持。
通常，硅的半导体图像传感器使用由可见光能量激发的电子作为信号源。此时，由热能激发的电子是噪声源，被视为不必要的（图1（a）左）。在本研究中，我们改变了这一概念，利用中红外激光照射产生的热量激发的电子作为信号源，并将光激发电子作为噪声源（图1（a），右）。使用待测量的中红外激光对半导体图像传感器的光接收表面进行点加热，并对受热激发的电子分布进行成像，以测量入射激光束的强度分布。
此方法的概述如图 1(b) 所示。将待测量的中红外激光射向图像传感器的光接收表面。受光面前面安装有锗短波长截止滤光片，阻挡周围可能成为噪声源的可见光，只允许中红外激光通过。通过滤光片的激光被图像传感器吸收，产生与激光束横截面的强度分布相对应的温度分布。在图像传感器的每个像素中，电子被取决于温度的热能从价带激发到导体。通过获取每个像素处的这些电子，可以获得热激发电子的空间分布图像。
图1(a)本研究的概念（半导体图像传感器中信号与噪声的关系；左图：正常可见光检测时，右图：本研究中中红外检测时）
(b)中红外激光器光束直径测量机制
开发的中红外激光光束直径测量装置是CMOS使用图像传感器（图 2(a)）。当用输出为3W的二氧化碳激光（波长：106μm）照射光电探测器时，在照射开始时（0秒）没有出现信号，但随着照射的继续，图像传感器被加热，并获得以光束入射位置为中心的点状信号分布（图2（b））。
图2（a）所开发的中红外激光束直径测量装置的外观图（b）通过中红外激光照射获得的热激发电子分布
接下来，我们研究了使用现有技术针孔扫描方法测量的激光强度分布与使用新开发的方法获得的热激发电子分布之间的关系（图3（a））。通过改变激光功率和光束直径进行实验，激光分布和热激发电子分布分别用高斯函数近似，两点之间的距离对应于最大强度的0135倍，即所谓的1/e2比较宽度。结果发现，在实验中使用的图像传感器中，热激发电子的分布宽度约为激光束直径的15倍。从激光入射开始，该值保持约 20 秒（图 3(b)）。如果热激发电子的分布宽度和激光束直径的放大倍数一定，则可以从热激发电子的分布宽度反算出入射激光的光束直径。这些结果表明，通过预先评估用于光束直径测量的成像装置中激光与热激发电子分布之间的相关性成立的激光功率和光束直径的范围，可以估计该范围内的任何激光束直径。
图3（a）热激发电子的分布宽度（蓝色：左轴，DN：数字）和入射激光强度（红色：右轴）的比较
(b)热激发电子分布宽度与激光束直径之比与激光照射时间的关系
该技术可以使用廉价的可见光半导体图像传感器对中红外激光束的强度分布进行成像，而无需使用昂贵的中红外成像设备。与中红外图像传感器和空间滤波器扫描方法等传统技术相比，这使得设备的安装面积减少至约1/4，成本减少至约1/10。该技术可以在现场实时观察中红外激光的光斑，因此不仅可以有效测量光束直径，还可以简化和提高涉及调整反射镜和透镜的光束对准工作的效率。利用这些特性，有望广泛应用于中红外激光应用领域。
*本新闻稿中的图 1(a)、2(b) 和 3(a)、(b) 是对原始论文“使用硅基光子半导体图像传感器的中红外激光器的光束尺寸估计方法”的引用和修改。
未来，我们将继续评估光束直径的测量精度，并检验其对任意光束形状的适用性。未来，我们计划利用这项技术将其应用到各种中红外激光材料加工、微创医学、传感技术等领域。
已出版的杂志：应用物理快车
论文标题：使用硅基光子半导体图像传感器的中红外激光器光束尺寸估计方法
作者：沼田孝之