在材料加工、激光手術(shù)和遙感等各種應(yīng)用中，有廣泛的通用激光系統(tǒng)，但許多激光系統(tǒng)都有共同的關(guān)鍵參數(shù)。為這些參數(shù)建立通用術(shù)語可以防止溝通錯誤，理解它們可以正確指定激光系統(tǒng)和組件，以滿足應(yīng)用需求。

圖1：常見激光材料處理系統(tǒng)的示意圖，其中激光系統(tǒng)的10個關(guān)鍵參數(shù)中的每一個都用相應(yīng)的數(shù)字表示

基本參數(shù)

以下基本參數(shù)是激光系統(tǒng)的最基本概念，也對理解更高級的要點至關(guān)重要。

1：波長（典型單位：nm到µm）

激光器的波長描述了發(fā)射光波的空間頻率。給定用例的最佳波長高度依賴于應(yīng)用。不同的材料在材料加工中會具有獨特的波長依賴性吸收特性，導(dǎo)致與材料的相互作用不同。類似地，大氣吸收和干擾在遙感中會對某些波長產(chǎn)生不同的影響，而在醫(yī)療激光應(yīng)用中，各種絡(luò)合物對某些波長的吸收也會不同。更短波長的激光器和激光光學(xué)器件有利于在最小的外圍加熱的情況下創(chuàng)建小而精確的特征，因為焦斑更小。然而，它們通常比更長波長的激光更昂貴，更容易損壞。

2：功率和能量（典型單位：W或J）

激光器的功率以瓦特（W）為單位測量，用于描述連續(xù)波（CW）激光器的光功率輸出或脈沖激光器的平均功率。脈沖激光器的特征還在于其脈沖能量，其與平均功率成正比，與激光器的重復(fù)率成反比（圖2）。能量以焦耳（J）為單位。

圖2：脈沖激光的脈沖能量、重復(fù)率和平均功率之間關(guān)系的可視化表示

更高功率和能量的激光器通常更昂貴，并且它們產(chǎn)生更多的廢熱。隨著功率和能量的增加，保持高光束質(zhì)量也變得越來越困難。

3：脈沖持續(xù)時間（典型單位：fs到ms）

激光脈沖持續(xù)時間或脈沖寬度通常定義為激光光功率與時間的半峰全寬（FWHM）（圖3）。超快激光器在包括精確材料加工和醫(yī)用激光器在內(nèi)的一系列應(yīng)用中具有許多優(yōu)點，其特征是脈沖持續(xù)時間短，約為皮秒（10-12秒）至阿秒（10-18秒）。

圖3：脈沖激光的脈沖在時間上被重復(fù)率的倒數(shù)分開

4：重復(fù)率（典型單位：Hz到MHz）

脈沖激光的重復(fù)率或脈沖重復(fù)頻率描述了每秒發(fā)射的脈沖數(shù)或反向時間脈沖間隔（圖3）。如前所述，重復(fù)率與脈沖能量成反比，與平均功率成正比。雖然重復(fù)率通常取決于激光增益介質(zhì)，但在許多情況下它可以變化。更高的重復(fù)率導(dǎo)致激光光學(xué)器件表面和最終聚焦點的熱弛豫時間更短，這導(dǎo)致材料加熱更快。

5：相干長度（典型單位：毫米到米）

激光是相干的，這意味著不同時間或位置的電場相位值之間存在固定的關(guān)系。這是因為與大多數(shù)其他類型的光源不同，激光是由受激發(fā)射產(chǎn)生的。相干在整個傳播過程中退化，激光的相干長度定義了一段距離，在該距離上，激光的時間相干保持在一定的質(zhì)量。

6：偏振

偏振定義了光波電場的方向，它總是垂直于傳播方向。在大多數(shù)情況下，激光將是線性偏振的，這意味著發(fā)射的電場始終指向同一方向。非偏振光將具有指向許多不同方向的電場。偏振度通常表示為兩個正交偏振態(tài)的光焦度之比，例如100:1或500:1。

光束參數(shù)

以下參數(shù)表征激光束的形狀和質(zhì)量。

7：光束直徑（典型單位：mm至cm）

激光器的光束直徑表征光束的橫向延伸，或其垂直于傳播方向的物理尺寸。它通常定義為1/e2寬度，該寬度由光束強度達到1/e2（≈ 13.5%）。在1/e2點，電場強度降至1/e（≈ 37%）。光束直徑越大，光學(xué)器件和整個系統(tǒng)就需要越大，以避免光束被截斷，從而增加成本。然而，光束直徑的減小會增加功率/能量密度，這也可能是有害的。

8：功率或能量密度（典型單位：W/cm2至MW/cm2或µJ/cm2至J/cm2）

光束直徑與激光束的功率/能量密度或單位面積的光功率/能量有關(guān)。光束直徑越大，具有恒定功率或能量的光束的功率/能量密度就越小。在系統(tǒng)的最終輸出（例如在激光切割或焊接中），高功率/能量密度通常是理想的，但在系統(tǒng)內(nèi)部，低功率/能量濃度通常是有益的，以防止激光引起的損傷。這也防止了光束的高功率/能量密度區(qū)域電離空氣。由于這些原因，除其他原因外，激光束擴展器經(jīng)常用于增加直徑，從而降低激光系統(tǒng)內(nèi)部的功率/能量密度。然而，必須注意不要使光束膨脹過大，以免光束從系統(tǒng)中的孔隙中被遮擋，從而導(dǎo)致能量浪費和潛在損壞。

9：光束輪廓

激光器的光束輪廓描述了光束橫截面上的分布強度。常見的光束輪廓包括高斯光束和平頂光束，其光束輪廓分別遵循高斯函數(shù)和平頂函數(shù)（圖4）。然而，沒有一種激光器能夠產(chǎn)生光束輪廓與其特征函數(shù)完全匹配的完全高斯或完全平坦的頂部光束，因為激光器內(nèi)部總是存在一定數(shù)量的熱點或波動。激光器的實際光束輪廓和理想光束輪廓之間的差異通常通過包括激光器的M2因子在內(nèi)的度量來描述。

圖4：具有相同平均功率或強度的高斯光束和平頂光束的光束輪廓的比較表明，高斯光束的峰值強度是平頂光束的兩倍

10：發(fā)散度（典型單位：mrad）

雖然激光束通常被認為是準直的，但它們總是包含一定量的發(fā)散，這描述了由于衍射，光束在距離激光器束腰越來越遠的距離上發(fā)散的程度。在長工作距離的應(yīng)用中，例如激光雷達系統(tǒng)中，物體可能距離激光系統(tǒng)數(shù)百米，發(fā)散性成為一個特別重要的問題。光束發(fā)散度通常由激光器的半角定義，高斯光束的發(fā)散度（θ）定義為：

λ是激光器的波長，w0是激光器的束腰。

最終系統(tǒng)參數(shù)

這些最終參數(shù)描述了激光系統(tǒng)輸出時的性能。

11：光斑尺寸（典型單位：µm）

聚焦激光束的光斑尺寸描述了聚焦透鏡系統(tǒng)焦點處的光束直徑。在許多應(yīng)用中，如材料加工和醫(yī)療手術(shù)，目標是最大限度地減小斑點大小。這最大限度地提高了功率密度，并允許創(chuàng)建特別精細的功能（圖5）。通常使用非球面透鏡來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的球面透鏡，以減少球面像差并產(chǎn)生更小的焦斑尺寸。某些類型的激光系統(tǒng)最終不會將激光聚焦到光斑，在這種情況下，該參數(shù)不適用。

圖5：意大利理工學(xué)院的激光微加工實驗顯示，當(dāng)在恒定流量下將光斑尺寸從220μm減小到9μm時，納秒激光鉆孔系統(tǒng)的燒蝕效率提高了10倍

12：工作距離（典型單位：µm到m）

激光系統(tǒng)的工作距離通常定義為從最終光學(xué)元件（通常是聚焦透鏡）到激光聚焦的物體或表面的物理距離。某些應(yīng)用，如醫(yī)用激光器，通常尋求最小化工作距離，而其他應(yīng)用，如遙感，通常旨在最大化其工作距離范圍。

References:

Brandi, Fernando, et al. “Very Large Spot Size Effect in Nanosecond Laser Drilling Efficiency of Silicon.” Optics Express, vol. 18, no. 22, 2010, pp. 23488–23494., doi:10.1364/oe.18.023488.

文章來源：光子位

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