在材料加工、激光手术和遥感等各种应用中，有广泛的通用激光系统，但许多激光系统都有共同的关键参数。为这些参数建立通用术语可以防止沟通错误，理解它们可以正确指定激光系统和组件，以满足应用需求。

图1：常见激光材料处理系统的示意图，其中激光系统的10个关键参数中的每一个都用相应的数字表示

基本参数

以下基本参数是激光系统的最基本概念，也对理解更高级的要点至关重要。

1：波长（典型单位：nm到µm）

激光器的波长描述了发射光波的空间频率。给定用例的最佳波长高度依赖于应用。不同的材料在材料加工中会具有独特的波长依赖性吸收特性，导致与材料的相互作用不同。类似地，大气吸收和干扰在遥感中会对某些波长产生不同的影响，而在医疗激光应用中，各种络合物对某些波长的吸收也会不同。更短波长的激光器和激光光学器件有利于在最小的外围加热的情况下创建小而精确的特征，因为焦斑更小。然而，它们通常比更长波长的激光更昂贵，更容易损坏。

2：功率和能量（典型单位：W或J）

激光器的功率以瓦特（W）为单位测量，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。脉冲激光器的特征还在于其脉冲能量，其与平均功率成正比，与激光器的重复率成反比（图2）。能量以焦耳（J）为单位。

图2：脉冲激光的脉冲能量、重复率和平均功率之间关系的可视化表示

更高功率和能量的激光器通常更昂贵，并且它们产生更多的废热。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。

3：脉冲持续时间（典型单位：fs到ms）

激光脉冲持续时间或脉冲宽度通常定义为激光光功率与时间的半峰全宽（FWHM）（图3）。超快激光器在包括精确材料加工和医用激光器在内的一系列应用中具有许多优点，其特征是脉冲持续时间短，约为皮秒（10-12秒）至阿秒（10-18秒）。

图3：脉冲激光的脉冲在时间上被重复率的倒数分开

4：重复率（典型单位：Hz到MHz）

脉冲激光的重复率或脉冲重复频率描述了每秒发射的脉冲数或反向时间脉冲间隔（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，但在许多情况下它可以变化。更高的重复率导致激光光学器件表面和最终聚焦点的热弛豫时间更短，这导致材料加热更快。

5：相干长度（典型单位：毫米到米）

激光是相干的，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。这是因为与大多数其他类型的光源不同，激光是由受激发射产生的。相干在整个传播过程中退化，激光的相干长度定义了一段距离，在该距离上，激光的时间相干保持在一定的质量。

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。在大多数情况下，激光将是线性偏振的，这意味着发射的电场始终指向同一方向。非偏振光将具有指向许多不同方向的电场。偏振度通常表示为两个正交偏振态的光焦度之比，例如100:1或500:1。

光束参数

以下参数表征激光束的形状和质量。

7：光束直径（典型单位：mm至cm）

激光器的光束直径表征光束的横向延伸，或其垂直于传播方向的物理尺寸。它通常定义为1/e2宽度，该宽度由光束强度达到1/e2（≈ 13.5%）。在1/e2点，电场强度降至1/e（≈ 37%）。光束直径越大，光学器件和整个系统就需要越大，以避免光束被截断，从而增加成本。然而，光束直径的减小会增加功率/能量密度，这也可能是有害的。

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

光束直径与激光束的功率/能量密度或单位面积的光功率/能量有关。光束直径越大，具有恒定功率或能量的光束的功率/能量密度就越小。在系统的最终输出（例如在激光切割或焊接中），高功率/能量密度通常是理想的，但在系统内部，低功率/能量浓度通常是有益的，以防止激光引起的损伤。这也防止了光束的高功率/能量密度区域电离空气。由于这些原因，除其他原因外，激光束扩展器经常用于增加直径，从而降低激光系统内部的功率/能量密度。然而，必须注意不要使光束膨胀过大，以免光束从系统中的孔隙中被遮挡，从而导致能量浪费和潜在损坏。

9：光束轮廓

激光器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，其光束轮廓分别遵循高斯函数和平顶函数（图4）。然而，没有一种激光器能够产生光束轮廓与其特征函数完全匹配的完全高斯或完全平坦的顶部光束，因为激光器内部总是存在一定数量的热点或波动。激光器的实际光束轮廓和理想光束轮廓之间的差异通常通过包括激光器的M2因子在内的度量来描述。

图4：具有相同平均功率或强度的高斯光束和平顶光束的光束轮廓的比较表明，高斯光束的峰值强度是平顶光束的两倍

10：发散度（典型单位：mrad）

虽然激光束通常被认为是准直的，但它们总是包含一定量的发散，这描述了由于衍射，光束在距离激光器束腰越来越远的距离上发散的程度。在长工作距离的应用中，例如激光雷达系统中，物体可能距离激光系统数百米，发散性成为一个特别重要的问题。光束发散度通常由激光器的半角定义，高斯光束的发散度（θ）定义为：

λ是激光器的波长，w0是激光器的束腰。

最终系统参数

这些最终参数描述了激光系统输出时的性能。

11：光斑尺寸（典型单位：µm）

聚焦激光束的光斑尺寸描述了聚焦透镜系统焦点处的光束直径。在许多应用中，如材料加工和医疗手术，目标是最大限度地减小斑点大小。这最大限度地提高了功率密度，并允许创建特别精细的功能（图5）。通常使用非球面透镜来代替传统的球面透镜，以减少球面像差并产生更小的焦斑尺寸。某些类型的激光系统最终不会将激光聚焦到光斑，在这种情况下，该参数不适用。

图5：意大利理工学院的激光微加工实验显示，当在恒定流量下将光斑尺寸从220μm减小到9μm时，纳秒激光钻孔系统的烧蚀效率提高了10倍

12：工作距离（典型单位：µm到m）

激光系统的工作距离通常定义为从最终光学元件（通常是聚焦透镜）到激光聚焦的物体或表面的物理距离。某些应用，如医用激光器，通常寻求最小化工作距离，而其他应用，如遥感，通常旨在最大化其工作距离范围。

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.

文章来源：光子位

注：文章版权归原作者所有，本文仅供交流学习之用，如涉及版权等问题，请您告知，我们将及时处理。