激光系统的关键参数

在诸如材料加工、激光手术和遥感等多种应用中，存在多种多样的常见激光系统，但许多激光系统都有共同的关键参数。为这些参数制订通用的术语可以防止错误表述，通过理解这些术语，可以正确地指定激光系统和组件，以满足您的应用需求。

图1: 常见激光材料加工系统示意图，其中激光系统的 10 个关键参数分别用相应的数字表示

基本参数

以下基本参数是激光系统的最基本概念，对于理解更高级的主题至关重要。

1: 波长 (常用单位: nm 到 µm)

激光的波长描述了发射光波的空间频率。特定使用案例的最佳波长在很大程度上取决于应用。在材料加工过程中，不同的材料会有独特的波长吸收特性，从而与材料产生不同的相互作用。同样，大气吸收和干扰会对遥感中的某些波长产生不同影响，而在医疗激光应用中，不同肤色对某些波长的吸收也会不同。由于聚焦光斑较小，较短波长的激光器和激光光学器件在创建小而精确的特征时具有优势，产生的外围加热极少。不过，与波长更长的激光器相比，它们通常更昂贵，也更容易损坏。

2: 功率和能量 (常用单位: W 或 J)

激光功率的测量单位是瓦（W），用于描述连续波（CW）激光器的光功率输出或脉冲激光器的平均功率。此外，脉冲激光的特点是其脉冲能量与平均功率成正比，与脉冲的重复率成反比（图 2）。能量的单位是焦耳（J）。

$$ \text{Pulse Energy} = \frac{\text{Average Power}}{\text{Repetition Rate}} $$

图 2：脉冲激光器的脉冲能量、重复率和平均功率之间关系的直观表示法

功率和能量更高的激光器通常更加昂贵，产生的废热也更多。随着功率和能量的增加，保持高光束质量也变得越来越困难。有关脉冲和 CW 激光器的更多信息，请参阅我们的 应用要点：了解和规范激光元件的激光损伤阈值（LIDT）.

3: 脉冲持续时间（常用单位：fs 至 ms）

激光脉冲持续时间或（即：脉冲宽度）通常定义是激光达到最高光学功率的一半 (FWHM) 时所用的时间（图 3）。超快激光器的特点是脉冲持续时间短，从皮秒（10-¹² 秒）到阿秒（10-¹⁸ 秒）不等。更多信息，请参阅我们的 超快色散 和 高色散反射镜 应用说明。

图 3：脉冲激光器的脉冲时间间隔为重复率的倒数

4: 重复率（常用单位：Hz 到 MHz)

脉冲激光器的重复率（即脉冲重复频率）描述了每秒发射的脉冲数量，即时序脉冲间距的倒数（图 3）。如前所述，重复率与脉冲能量成反比，与平均功率成正比。虽然重复率通常取决于激光增益介质，但在许多情况下，重复率是可以变化的。重复率越高，激光光学元件表面和最终聚焦光斑的热弛豫时间越短，从而使材料的加热速度更快。

5: 相干长度（常用单位：mm 到 cm）

激光具有相干性，这意味着不同时间或位置的电场相位值之间存在固定的关系。这是因为激光是通过受激发射产生的，与大多数其他类型的光源不同。在整个传播过程中，相干性会逐渐减弱，而激光的相干长度定义了其时间相干性保持一定质量的距离。

6: 偏振

偏振定义了光波电场的方向，它总是垂直于传播方向。大多数情况下，激光都是线性偏振的，这意味着发射的电场始终指向同一个方向。非偏振光会产生指向许多不同方向的电场。偏振度通常用两个正交偏振态的光功率之比来表示，如 100:1 或 500:1。有关偏振的更多信息，请访问我们的 应用要点：偏振光学简介.

光束参数

以下参数描述了激光束的形状和质量。

7: 光束直径（常用单位：mm 到 cm）

激光的光束直径表示光束的横向延伸，或垂直于传播方向的物理尺寸。它通常定义在^1/e2 宽度处，即光束强度达到最大值的¹ /e2（≈ 13.5%）的点。在^1/e2 点，电场强度下降到最大值的 1/e（≈ 37%）。光束直径越大，为避免光束削波而需要的光学器件和整个系统就越大，导致成本增加。然而，减小光束直径会增加功率/能量密度，这也会带来不利影响（见下一个参数）。

8: 功率或能量密度（常用单位：^W/cm2 至^MW/cm2 或^µJ/cm2 至^J/cm2)

光束直径与激光束的功率/能量密度（即单位面积的光学功率/能量）有关。在光束的功率或能量恒定的情况下，光束直径越大，功率/能量密度越小高功率/能量密度的激光通常是系统理想的最终输出 （例如在激光切割或激光焊接应用中），但是低功率/能量密度的激光通常对系统内部有利，可防止激光产生的损伤。这还能防止光束的高功率/高能量密度区域电离空气。出于以上原因，通常会使用扩束镜来增大直径，从而降低激光系统内部的功率/能量密度。 应用要点：激光扩束镜.但是必须小心，不要将光束扩展得太大，以致光束在系统的光圈中遭到剪裁，进而导致能量浪费和可能的损伤。

9: 光束轮廓

激光的光束轮廓描述了光束横截面上的分布强度。常见的光束轮廓包括高斯光束和平顶光束，它们的光束轮廓分别遵循高斯和平顶函数（图 4）。但是，没有任何激光器可以产生光束轮廓与特征函数完美相符的完美高斯光束或完美平顶光束，因为激光器内部始终存在一定数量的热点或振荡。激光的实际光束轮廓与理想光束轮廓之间的差异通常由多项衡量指标（包括激光的 M² 因子）来描述。有关光束剖面和光束质量特性的更多信息，请参阅我们的 高斯光束传播 和 光束形状、光束质量和斯特雷尔比应用说明.

图 4：对平均功率或强度相同的高斯光束和平顶光束的光束轮廓进行比较后发现，高斯光束的峰值强度是平顶光束的 2 倍。

10: 发散度（常用单位：mrad）

虽然人们通常认为激光束是准直光，但激光束始终具有一定程度的发散，发散度描述的是光束在长距离传播后由于衍射而相对于光束腰的扩散程度。在工作距离很长的应用（例如激光雷达系统，其目标与激光系统可能相距数百米）中，发散已成为特别重要的问题。光束发散通常由激光的半角定义，高斯光束的发散 (θ) 定义为

$$ \theta = \frac{\lambda}{\pi w_0} $$

λ 是激光波长，_w0 是激光束腰。有关发散的更多信息，请参阅我们的 应用要点：高斯光束传播.增大光束直径可以降低发散度，详细信息可参考我们的 应用要点：激光扩束镜.

这些最终参数描述了激光系统输出端的性能。

11: 光斑尺寸（常用单位：µm）

聚焦激光束的光斑尺寸描述的是位于聚焦透镜系统焦点处的光束直径。在材料加工和医疗手术等许多应用中，我们的目标是尽量减小光斑尺寸。这样可以最大限度地提高功率密度，并能制作出特别精细的特征（图 5）。非球面透镜 通常用来代替传统的球面透镜，以减少球面像差并减小焦斑尺寸。某些类型的激光系统最终不会将激光聚焦为光斑，在这种情况下，此参数不适用。

图 5：意大利技术研究所进行的激光微加工实验表明，在恒定通量下，当光斑尺寸从 220 微米减小到 9 微米时，纳秒激光钻孔系统的烧蚀效率提高了十倍¹。

12: 工作距离（常用单位：µm 到 m）

激光系统的工作距离通常是指从最终光学元件（通常是聚焦透镜）到激光聚焦的物体或表面之间的物理距离。某些应用（如医疗激光器）通常会尽量缩短工作距离，而其他应用（如遥感）通常会尽量扩大工作距离范围。

参考：

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.

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