激光系统的关键参数

2023-02-16 09:19:25, 韵翔光电江阴韵翔光电技术有限公司

从材料加工，激光手术和遥感等各种应用中可以找到各种各样的通用激光系统，但是许多激光系统具有相同的关键参数。为这些参数建立通用术语可以防止通信错误，理解它们可以正确指定激光系统和组件，以满足您的应用需求。

图1：普通激光材料加工系统的示意图，其中激光系统的10个关键参数中的每一个均由其相应的数字表示

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。

波长（典型单位：nm至µm）

激光的波长描述了发出的光波的空间频率。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过程中将具有独特的依赖于波长的吸收特性，从而导致与材料的相互作用不同。同样，大气吸收和干扰将在遥感中对某些波长产生不同的影响，而各种肤色在医用激光应用中将对某些波长产生不同的吸收。较短波长的激光器和激光光学器件由于聚焦点较小，有利于在最小的外围发热的情况下创建小而精确的特征。但是，与更长波长的激光器相比，它们通常更昂贵且易于损坏。

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，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，脉冲能量与平均功率成正比，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，重复频率和平均功率之间关系的直观表示

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，维持高光束质量也变得越来越困难。

脉冲持续时间（典型单位：fs至ms）

激光脉冲持续时间或脉冲宽度通常定义为激光光功率对时间的一半最大全宽（FWHM）（图3）。超快激光器在包括精密材料加工和医用激光器在内的一系列应用中均具有许多优势，其特点是脉冲持续时间短至皮秒（10-12 s）到阿秒（10-18 s）。

图3：重复频率的倒数在时间上将脉冲激光的脉冲分开

重复率（典型单位：Hz至MHz）

脉冲激光器的重复频率或脉冲重复频率描述了每秒发射的脉冲数或时间脉冲间隔的倒数（图3）。如前所述，重复频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，但在许多情况下可以改变。较高的重复率导致在激光光学器件表面和最终聚焦点处的热弛豫时间更少，从而导致更快的材料加热。

相干长度（典型单位：mm至m）

激光是相干的，这意味着在不同时间或位置的电场相位值之间具有固定的关系。发生这种情况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。相干性在整个传播过程中降低，并且激光的相干长度定义了一个距离，在该距离上，其时间相干性保持一定质量。

06偏振

偏振定义了光波电场的方向，该方向始终垂直于传播方向。在大多数情况下，激光将被线性偏振，这意味着发出的电场始终指向同一方向。非偏振光会使电场指向许多不同的方向。偏振度通常表示为两个正交偏振态（例如100：1或500：1）的光功率之比。

光束参数

以下参数表征了激光束的形状和质量。

光束直径（典型单位：毫米至厘米）

激光的光束直径代表光束的横向延伸或其垂直于传播方向的物理尺寸。通常将其定义为1/e2宽度，该宽度由光束强度达到其最大值的1/e2（≈13.5％）的点界定。在1/e2点，电场强度下降到最大值的1 / e（≈37％）。光束直径越大，就需要更大的光学器件和整个系统，以避免削波，这增加了成本。但是，减小光束直径会增加功率/能量密度，这也可能是有害的（请参阅下一个参数）。

功率或能量密度

(典型单位: W/cm2 to MW/cm2 or µJ/cm2 to 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，恒定功率或能量的光束的功率/能量密度越小。高功率/能量密度通常是系统最终输出的理想选择（例如在激光切割或焊接中），但是低功率/能量密度通常对于防止激光引起的损坏在系统内部很有用。这也防止了光束的高功率/能量密度区域使空气电离。由于这些原因，扩束器通常用于增加直径，从而降低激光系统内部的功率/能量密度，如我们的激光扩束器应用说明中所述。但是，必须注意不要将光束扩展得太大，以免光束从系统的孔中被截断，从而浪费能量和潜在的损坏。

光束轮廓

激光的光束轮廓描述了光束横截面的分布强度。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光束和平顶光束的功能（图4）。但是，由于激光器内部始终存在一些热点或波动，因此任何激光器都无法产生完美的高斯光束或平顶光束，其光束轮廓与其特征函数完全匹配。通常通过包括激光器的M2因子在内的指标来描述激光器的实际光束轮廓与理想光束之间的差异。

图4：比较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，结果表明，高斯光束的峰值强度为平顶光束的2倍

发散（典型单位：mrad）

虽然通常假定激光束是准直的，但它们始终包含一定量的发散，这描述了由于衍射，光束在距激光束腰的距离增加时散开了多少。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，因此发散成为一个特别重要的问题。光束发散度通常由激光的半角定义，高斯光束的发散度（θ）定义为：

λ是激光的波长，w0是激光的束腰。如我们的激光扩束器应用说明中所述，可以通过增加光束直径来减小发散。

最终系统参数

这些最终参数描述了激光系统输出端的性能。

点尺寸（典型单位：µm）

聚焦激光束的光斑大小描述了聚焦透镜系统焦点处的光束直径。在许多应用中，例如材料处理和医学手术，目标是使光斑尺寸最小化。这样可以最大程度地提高功率密度，并允许创建特别精细的功能（图5）。非球面透镜通常代替传统的球面透镜使用，以减少球面像差并产生较小的焦点尺寸。某些类型的激光系统并不能最终将激光聚焦到一个点，在这种情况下，此参数不适用。

图5：意大利理工学院的激光微加工实验表明，当将光斑尺寸从220μm减小到9μm且恒定通量时，纳秒级激光钻孔系统的烧蚀效率提高了10倍1

工作距离（典型单位：µm至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）到激光聚焦到的物体或表面的物理距离。某些应用（例如医用激光）通常试图最小化工作距离，而其他应用（例如遥感）通常旨在最大化其工作距离范围。

参考文献

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.