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English| 發(fā)布日期：2022-03-14 |
從材料加工，激光手術(shù)和遙感等各種應(yīng)用中可以找到各種各樣的通用激光系統(tǒng)，但是許多激光系統(tǒng)具有相同的關(guān)鍵參數(shù)。 為這些參數(shù)建立通用術(shù)語(yǔ)可以防止通信錯(cuò)誤，理解它們可以正確指定激光系統(tǒng)和組件，以滿足您的應(yīng)用需求。
圖1：普通激光材料加工系統(tǒng)的示意圖，其中激光系統(tǒng)的10個(gè)關(guān)鍵參數(shù)中的每一個(gè)均由其相應(yīng)的數(shù)字表示
基本參數(shù)
以下基本參數(shù)是激光系統(tǒng)的最基本概念，對(duì)于理解更高級(jí)的主題至關(guān)重要。
1：波長(zhǎng)（典型單位：nm至μm）
激光的波長(zhǎng)描述了發(fā)出的光波的空間頻率。給定用例的**波長(zhǎng)高度依賴于應(yīng)用。不同的材料在材料加工過(guò)程中將具有獨(dú)特的依賴于波長(zhǎng)的吸收特性，從而導(dǎo)致與材料的相互作用不同。同樣，大氣吸收和干擾將在遙感中對(duì)某些波長(zhǎng)產(chǎn)生不同的影響，而各種膚色在醫(yī)用激光應(yīng)用中將對(duì)某些波長(zhǎng)產(chǎn)生不同的吸收。較短波長(zhǎng)的激光器和激光光學(xué)器件由于聚焦點(diǎn)較小，有利于在最小的外圍發(fā)熱的情況下創(chuàng)建小而精確的特征。但是，與更長(zhǎng)波長(zhǎng)的激光器相比，它們通常更昂貴且易于損壞。
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，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，脈沖能量與平均功率成正比，與激光器的重復(fù)率成反比（圖2）。能量以焦耳（J）為單位。
圖2：脈沖激光的脈沖能量，重復(fù)頻率和平均功率之間關(guān)系的直觀表示
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，維持高光束質(zhì)量也變得越來(lái)越困難。 有關(guān)脈沖激光器和連續(xù)波激光器的更多信息，請(qǐng)參見(jiàn)我們的《了解和指定激光組件的LIDT》應(yīng)用說(shuō)明。
3：脈沖持續(xù)時(shí)間（典型單位：fs至ms）
激光脈沖持續(xù)時(shí)間或脈沖寬度通常定義為激光光功率對(duì)時(shí)間的一半**全寬（FWHM）（圖3）。 超快激光器在包括精密材料加工和醫(yī)用激光器在內(nèi)的一系列應(yīng)用中均具有許多優(yōu)勢(shì)，其特點(diǎn)是脈沖持續(xù)時(shí)間短至皮秒（10-12
s）到阿秒（10-18
s）。 有關(guān)更多信息，請(qǐng)參見(jiàn)我們的超快色散和高色散鏡應(yīng)用說(shuō)明。
圖3：重復(fù)頻率的倒數(shù)在時(shí)間上將脈沖激光的脈沖分開(kāi)
4：重復(fù)率（典型單位：Hz至MHz）
脈沖激光器的重復(fù)頻率或脈沖重復(fù)頻率描述了每秒發(fā)射的脈沖數(shù)或時(shí)間脈沖間隔的倒數(shù)（圖3）。如前所述，重復(fù)頻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)，但在許多情況下可以改變。較高的重復(fù)率導(dǎo)致在激光光學(xué)器件表面和最終聚焦點(diǎn)處的熱弛豫時(shí)間更少，從而導(dǎo)致更快的材料加熱。
5：相干長(zhǎng)度（典型單位：mm至m）
激光是相干的，這意味著在不同時(shí)間或位置的電場(chǎng)相位值之間具有固定的關(guān)系。發(fā)生這種情況是因?yàn)榕c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。相干性在整個(gè)傳播過(guò)程中降低，并且激光的相干長(zhǎng)度定義了一個(gè)距離，在該距離上，其時(shí)間相干性保持一定質(zhì)量。
6：偏振
偏振定義了光波電場(chǎng)的方向，該方向始終垂直于傳播方向。在大多數(shù)情況下，激光將被線性偏振，這意味著發(fā)出的電場(chǎng)始終指向同一方向。非偏振光會(huì)使電場(chǎng)指向許多不同的方向。偏振度通常表示為兩個(gè)正交偏振態(tài)（例如100：1或500：1）的光功率之比。有關(guān)偏振的更多信息，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)我們的偏振簡(jiǎn)介應(yīng)用說(shuō)明。
光束參數(shù)
以下參數(shù)表征了激光束的形狀和質(zhì)量。
7：光束直徑（典型單位：毫米至厘米）
激光的光束直徑代表光束的橫向延伸或其垂直于傳播方向的物理尺寸。通常將其定義為1/e2寬度，該寬度由光束強(qiáng)度達(dá)到其**值的1/e2（≈13.5％）的點(diǎn)界定。在1/e2點(diǎn)，電場(chǎng)強(qiáng)度下降到**值的1 / e（≈37％）。光束直徑越大，就需要更大的光學(xué)器件和整個(gè)系統(tǒng)，以避免削波，這增加了成本。但是，減小光束直徑會(huì)增加功率/能量密度，這也可能是有害的（請(qǐng)參閱下一個(gè)參數(shù)）。
8：功率或能量密度
(Typical Units: W/cm2
to MW/cm2
or μJ/cm2
to 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，恒定功率或能量的光束的功率/能量密度越小。高功率/能量密度通常是系統(tǒng)最終輸出的理想選擇（例如在激光切割或焊接中），但是低功率/能量密度通常對(duì)于防止激光引起的損壞在系統(tǒng)內(nèi)部很有用。這也防止了光束的高功率/能量密度區(qū)域使空氣電離。由于這些原因，擴(kuò)束器通常用于增加直徑，從而降低激光系統(tǒng)內(nèi)部的功率/能量密度，如我們的激光擴(kuò)束器應(yīng)用說(shuō)明中所述。但是，必須注意不要將光束擴(kuò)展得太大，以免光束從系統(tǒng)的孔中被截?cái)啵瑥亩速M(fèi)能量和潛在的損壞。
9：光束輪廓
激光的光束輪廓描述了光束橫截面的分布強(qiáng)度。常見(jiàn)的光束輪廓包括高斯光束和平頂光束，其光束輪廓分別遵循高斯光束和平頂光束的功能（圖4）。但是，由于激光器內(nèi)部始終存在一些熱點(diǎn)或波動(dòng)，因此任何激光器都無(wú)法產(chǎn)生完美的高斯光束或平頂光束，其光束輪廓與其特征函數(shù)完全匹配。通常通過(guò)包括激光器的M2因子在內(nèi)的指標(biāo)來(lái)描述激光器的實(shí)際光束輪廓與理想光束之間的差異。有關(guān)光束輪廓和表征光束質(zhì)量的更多信息，請(qǐng)參見(jiàn)我們的高斯光束傳播和光束形狀，光束質(zhì)量和斯特列爾比應(yīng)用手冊(cè)。
圖4：比較具有相同平均功率或強(qiáng)度的高斯光束和平頂光束的光束輪廓，結(jié)果表明，高斯光束的峰值強(qiáng)度為平頂光束的2倍
10：發(fā)散（典型單位：mrad）
雖然通常假定激光束是準(zhǔn)直的，但它們始終包含一定量的發(fā)散，這描述了由于衍射，光束在距激光束腰的距離增加時(shí)散開(kāi)了多少。 在長(zhǎng)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，因此發(fā)散成為一個(gè)特別重要的問(wèn)題。 光束發(fā)散度通常由激光的半角定義，高斯光束的發(fā)散度（θ）定義為：
λ是激光的波長(zhǎng)，w0是激光的束腰。 有關(guān)發(fā)散的更多信息，請(qǐng)參見(jiàn)我們的高斯光束傳播應(yīng)用說(shuō)明。 如我們的激光擴(kuò)束器應(yīng)用說(shuō)明中所述，可以通過(guò)增加光束直徑來(lái)減小發(fā)散。
最終系統(tǒng)參數(shù)
這些最終參數(shù)描述了激光系統(tǒng)輸出端的性能。
11：點(diǎn)尺寸（典型單位：μm）
聚焦激光束的光斑大小描述了聚焦透鏡系統(tǒng)焦點(diǎn)處的光束直徑。 在許多應(yīng)用中，例如材料處理和醫(yī)學(xué)手術(shù)，目標(biāo)是使光斑尺寸最小化。 這樣可以**程度地提高功率密度，并允許創(chuàng)建特別精細(xì)的功能（圖5）。 非球面透鏡通常代替?zhèn)鹘y(tǒng)的球面透鏡使用，以減少球面像差并產(chǎn)生較小的焦點(diǎn)尺寸。 某些類型的激光系統(tǒng)并不能最終將激光聚焦到一個(gè)點(diǎn)，在這種情況下，此參數(shù)不適用。
圖5：意大利理工學(xué)院的激光微加工實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)將光斑尺寸從220μm減小到9μm且恒定通量時(shí)，納秒級(jí)激光鉆孔系統(tǒng)的燒蝕效率提高了10倍1
12：工作距離（典型單位：μm至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）到激光聚焦到的物體或表面的物理距離。 某些應(yīng)用（例如醫(yī)用激光）通常試圖最小化工作距離，而其他應(yīng)用（例如遙感）通常旨在**化其工作距離范圍。
參考文獻(xiàn)
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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