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。

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。

一、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um)

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。

線寬

激光器的光譜寬度，也可以說是輸出光的頻率范圍常以赫茲(Hz)或納米(nm)為單位。線寬越窄，激光的波長越純，相干性越好。

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。能量以焦耳(J)為單位。

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)。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)。

脈沖激光的脈沖在時間上被重復(fù)率的倒數(shù)分開

激光器的脈沖寬度是指激光脈沖的時間長度，是描述脈沖激光器性能的重要參數(shù)之不同的激光器可以產(chǎn)生不同時間尺度的脈沖，通常用納秒、皮秒、飛秒和阿秒等單位來描述。

納秒激光器(Nanosecond Laser):脈沖寬度在納秒級別，通常在幾納秒到幾十納秒之間。這種類型的激光器常用于需要中等能量的應(yīng)用，如材料加工、醫(yī)療治療、激光雷達(dá)等。

皮秒激光器(Picosecond Laser):脈沖寬度在皮秒級別，通常在幾皮秒到幾十皮秒之間。皮秒激光器可以產(chǎn)生更短的脈沖，適用于需要更高精度和更少熱損傷的應(yīng)用，如超快光學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、材料加工等。

脈沖寬度在飛秒級別，通常在幾飛秒到幾十飛秒激光器(Femtosecond Laser):秒之間。飛秒激光器產(chǎn)生極短的光脈沖，可以實現(xiàn)超高精度的加工和研究，常用于超快光學(xué)、精密加工、眼科手術(shù)等領(lǐng)域。

阿秒激光器(Attosecond Laser):脈沖寬度在阿秒級別，通常在幾阿秒到幾十阿秒之間。這是極端超快的激光器類型，用于研究原子和分子的超快動力學(xué)過程，例如電子在原子中的運動。

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。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。

低重復(fù)頻率激光器:重復(fù)頻率較低，通常在幾赫茲到幾千赫茲之間。這種類型的激光器適用于需要高能量單脈沖的應(yīng)用，如激光打孔、激光切割等。

中等重復(fù)頻率激光器:重復(fù)頻率適中，通常在幾千赫茲到幾十千赫茲之間。這種類型的激光器廣泛應(yīng)用于激光加工、激光標(biāo)記等領(lǐng)域，能夠平衡能量和速度。

高重復(fù)頻率激光器:重復(fù)頻率較高，通常在幾十千赫茲到幾百千赫茲甚至更高。這種類型的激光器適用于需要高速、高效加工的應(yīng)用，如激光打印、激光醫(yī)療等。

行頻

激光器的行頻通常指激光器輸出的脈沖重復(fù)頻率，即單位時間內(nèi)脈沖的發(fā)射次數(shù)。行頻是激光器性能的重要指標(biāo)之一，特別是在需要高頻率激光脈沖的應(yīng)用中，如激光雷達(dá)、激光通信等。

影響激光器行頻的因素包括:

泵浦源的特性:激光器的泵浦源是提供激發(fā)能量的關(guān)鍵組件，其性能直接影響激光器的行頻。泵浦源的工作頻率和功率會影響激光器的行頻范圍。

激光介質(zhì)特性:不同類型的激光介質(zhì)具有不同的特性，如Nd:YAG激光器和CO2激光器的行頻范圍可能會有所不同。

光學(xué)腔的設(shè)計:光學(xué)腔的設(shè)計對激光器的行頻也有影響。合理設(shè)計的光學(xué)腔可以實現(xiàn)更高的行頻。

控制系統(tǒng):激光器的控制系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)激光器的工作參數(shù)，包括行頻。控制系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性對行頻的控制至關(guān)重要。

提高激光器行頻的方法包括:

優(yōu)化泵浦源:使用高效的泵浦源，并合理設(shè)計泵浦源的工作參數(shù)，可以提高激光器的行頻。

優(yōu)化光學(xué)腔:合理設(shè)計光學(xué)腔的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，可以提高激光器的行頻。

控制系統(tǒng)優(yōu)化:優(yōu)化激光器的控制系統(tǒng)，提高其對激光器行頻的控制精度和穩(wěn)定性。

選擇合適的激光介質(zhì):根據(jù)應(yīng)用需求選擇合適的激光介質(zhì)，不同的激光介質(zhì)具有不同的行頻范圍。

溫度控制:對激光器進行恒溫控制，可以減小溫度變化對行頻的影響，提高行頻的穩(wěn)定性。

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)平。

相干性是衡量波保持致相位關(guān)系的。相干長度指在發(fā)生明顯相位變化前，波保持特征波形的距離。相干長度越長，說明光越同步，相位關(guān)系保持的距離越長光走過相千長度的時間叫相干時間。

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。

偏振比

激光的偏振比是一個描述激光束偏振狀態(tài)的重要參數(shù)，它指的是激光光束中某一特定偏振方向上的電場強度與垂直于該方向上的電場強度的比值。在實際應(yīng)用中，激光的高偏振比通常是需要的，因為它有助于提高激光系統(tǒng)的性能和精確性。

舉例來說，如果一個激光束在水平方向上偏振，那么激光的偏振比就表示水平方向上電場強度與垂直于水平方向的電場強度之比。如果偏振比為1，表示電場在水平和垂直方向上的強度相等，即非偏振狀態(tài);而如果偏振比大于1，表示電場在水平方向上的強度大于垂直方向上的強度，即偏振狀態(tài)。因此，激光的偏振比是描述其偏振性質(zhì)的重要參數(shù)，對于許多光學(xué)應(yīng)用中的設(shè)計和操作都具有關(guān)鍵意義。

激光偏振比的重要性

光學(xué)系統(tǒng)匹配:某些光學(xué)元件，如偏振片、波片等，對偏振光的響應(yīng)與非偏振光不同。激光束的高偏振比可以確保這些光學(xué)元件效能最大化。

增強過程效率:在激光加工中，如切割、打孔或焊接，特定偏振狀態(tài)的激光可以提高處理效率和質(zhì)量。例如，線性偏振激光可以在與偏振方向相互作用的金屬表面上產(chǎn)生更干凈、更精確的切割效果。

測量和分析:在光譜學(xué)和光學(xué)成像等領(lǐng)域，偏振激光被用來探測和分析樣品的光學(xué)性質(zhì)。高偏振比的激光可以提供更為精確的數(shù)據(jù)。

測量激光偏振比:

激光偏振比的測量通常涉及使用偏振片和光強計。通過旋轉(zhuǎn)偏振片，并測量不同角度下的光強，可以計算出激光偏振比。理想情況下，完全偏振的光束會有一個非常高的偏振比，接近無限大，而完全非偏振的光束的偏振比則為1。在選擇或設(shè)計激光系統(tǒng)時，了解激光的偏振比以及如何控制它是至關(guān)重要的，這有助于優(yōu)化系統(tǒng)的整體性能和適用性。

二、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(dá)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:Wicm2至MW/cm2或uJ/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。

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(rèn)為是準(zhǔn)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(yuǎn)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(dá)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(0)定義為:

λ是激光器的波長，w0是激光器的束腰。

發(fā)散角的大小影響著激光束的聚焦能力和在特定距離上的光斑大小，對于許多應(yīng)用來說是一個關(guān)鍵的性能指標(biāo)。發(fā)射角越大，相同的距離，光斑的大小越大。

發(fā)散角的影響:

射程和聚焦:發(fā)散角越小，激光束的射程越遠(yuǎn)，聚焦效果越好。小發(fā)散角意味著激光束可以在較遠(yuǎn)的距離上保持較小的光斑，這對于精確打標(biāo)、切割等應(yīng)用非常重要。

能量密度:發(fā)散角較小的激光束，在較遠(yuǎn)的距離上仍能維持較高的能量密度，這對.些需要高能量密度的應(yīng)用(如激光武器、遠(yuǎn)距離傳輸?shù)?至關(guān)重要。

三、最終系統(tǒng)參數(shù)

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。光斑直徑的大小取決于多種因素，包括激光束的發(fā)散角度、聚焦系統(tǒng)的焦距和質(zhì)量、以及目標(biāo)表面與激光束的距離等。在許多應(yīng)用中，如材料加工和醫(yī)療手術(shù)，目標(biāo)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(xì)的功能。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。

在激光應(yīng)用中，光斑直徑的大小對于加工精度和效率至關(guān)重要。通常情況下，較小的光斑直徑意味著更高的空間分辨率和加工精度，但可能需要更復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)來實現(xiàn)。相反，較大的光斑直徑可能會降低空間分辨率，但在某些情況下可能更適合于快速加工。

12:工作距離(典型單位:um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。

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