光学探索：深入了解激光系统参数与应用

在诸如材料加工、激光手术和遥感等多种应用中，涉及到多种类型的激光系统。尽管激光系统的应用领域各不相同，但它们在技术参数上存在许多共通之处。为了避免术语使用上的混淆，制定了一套通用的术语标准，通过理解这些术语，可以准确地描述和规范激光系统及其组件，以满足特定应用需求。

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

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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。

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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。

图 3:脉冲激光器的脉冲时间间隔为重复率的倒数

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重复率（常用单位：Hz 到 MHz)

脉冲激光器的重复率描述了每秒发射的脉冲数量，即脉冲之间的时间间隔的倒数。与前文提到的相反，重复率与脉冲能量成反比，与平均功率成正比。尽管重复率通常由激光增益介质决定，但在某些情况下是可调节的。较高的重复率意味着激光光学元件表面和最终聚焦光斑的热弛豫时间更短，因此材料的加热速度更快。

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相干长度（常用单位：mm 到 cm）

激光具有相干性，这表示不同时间或位置的电场相位值之间存在着固定的关系。这种特性源于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。尽管在传播过程中，激光的相干性会逐渐减弱，但激光的相干长度定义了在其时间相干性保持一定水平的距离。

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偏振定义了光波电场的方向，始终垂直于传播方向。大多数情况下，激光是线性偏振的，即发射的电场始终指向同一方向。相反，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，例如 100:1 或 500:1。

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激光的光束直径描述了光束在横向上的延伸，即垂直于传播方向的物理尺寸。通常情况下，光束直径在1/e²宽度处定义，即光束强度达到最大值的1/e²（约13.5%）的点。在这个点上，电场强度下降到最大值的1/e（约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，具体见下一个参数。

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功率或能量密度是指单位面积上的光束功率或能量。光束直径与功率/能量密度密切相关。在光束的功率或能量保持恒定的情况下，光束直径越大，功率/能量密度越小。通常情况下，高功率/能量密度的激光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。然而，低功率/能量密度的激光对系统内部有利，可以减少激光产生的损伤，并防止光束的高功率/高能量密度区域电离空气。因此，通常会使用扩束镜来增大光束直径，从而降低激光系统内部的功率/能量密度。然而，需要小心的是，不要将光束扩展得过大，以至于光束在系统的光圈中被剪裁，导致能量浪费和可能的损伤。

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光束轮廓描述了光束在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。然而，由于激光器内部始终存在一定数量的热点或振荡，没有任何激光器可以产生与理想光束轮廓完全相符的完美高斯光束或完美平顶光束。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。

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。

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发散度（常用单位：mrad）

尽管人们通常认为激光束是准直光，但实际上激光束始终会具有一定程度的发散。发散度描述了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中，比如激光雷达系统，其中目标与激光系统可能相距数百米，发散成为一个特别重要的问题。光束的发散通常由激光的半角定义，高斯光束的发散角(θ)定义为λ是激光波长，w0是激光束腰。

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光斑尺寸描述的是聚焦激光束的光斑直径，位于聚焦透镜系统焦点处。在许多应用中，如材料加工和医疗手术，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。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。在某些类型的激光系统中，激光最终不会将激光聚焦为光斑，因此在这种情况下，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。

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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.

转自：千链激光网

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