激光功率知识点详解：从基本概念到应用参数
激光功率知识点详解：从基本概念到应用参数
激光功率是衡量激光器能量输出的重要指标，它不仅关系到激光器的工作效率，还影响着激光加工的质量。本文将从激光功率的基本概念出发，深入探讨连续激光功率与脉冲激光功率的区别，以及影响激光功率使用的各种参数，帮助读者全面了解激光功率的相关知识。
一、什么是激光功率?
激光功率以瓦 (W)、千瓦 (kW) 或毫瓦 (mW) 表示。每瓦表示激光器每秒可以发射 1 焦耳的能量。这意味着100W的激光器每秒可以发射100焦耳的能量。
激光功率不得与功率密度混淆。50W 和 200W 激光器可以以相同的方式聚焦能量并执行相同的任务。由于功率较高的激光器在一秒钟内发射更多的能量，因此它们可以更快地完成相同的工作。
二、连续激光功率与脉冲激光功率
两种主要类型的激光器以不同的方式使用其可用的激光功率。
连续激光随着时间的推移释放出一致的能量水平。例如，50W 连续激光器每秒持续释放 50 焦耳的能量。
脉冲激光器以脉冲形式释放能量，每次释放能量之间有短暂的停顿，以便在发射下一个脉冲之前积累能量。这使得脉冲激光能够达到更高的能量峰值。
脉冲激光器通常比连续波激光器更受欢迎，因为它们可以产生材料烧蚀所需的高能量峰值，这是激光打标、激光清洁和激光纹理等工艺所需的。
三、控制激光功率使用方式的参数
脉冲能量
每个脉冲都包含特定量的能量。激光器通常配置为每个脉冲释放 1 毫焦耳 (mJ) 的能量。对于需要较少能量的应用，我们有时会降低脉冲能量。例如，激光退火不锈钢需要缓慢加热表面，因此需要较低的能量峰值。
脉冲持续时间
每个激光脉冲都有特定的持续时间，可以在短时间内集中能量。脉冲持续时间越短，峰值功率越高。这也称为脉冲长度。
例如，飞秒激光器因其脉冲持续时间而得名，脉冲持续时间范围在几飞秒到数百飞秒之间。
脉冲重复率
脉冲重复率是每秒的脉冲数。它通常以赫兹 (Hz) 或千赫兹 (kHz) 表示，其中 100 kHz 表示每秒 100,000 个脉冲。
更高功率的激光器可用于每秒释放更多脉冲。例如，100W 激光器每秒可释放 100,000 个 1 mJ 脉冲，而 500W 激光器每秒可释放 500,000 个 1 mJ 脉冲。
为了进一步阐明这个概念，100W 也可以每秒释放 500,000 个脉冲，但要做到这一点，脉冲能量需要降低到 0.2 mJ。这是因为重复率控制激光功率随时间的分布方式。如果将脉冲能量乘以脉冲重复率，即可获得激光功率。
为了满足高重复率(即每秒产生更多脉冲)的需求，需要高质量的激光扫描头来更有效地重定向激光束。
光斑尺寸
激光束可以具有不同的形状(圆形、方形、矩形等)，并且激光能量可以不均匀地分布在该区域上。光斑尺寸代表能量最集中的激光束的直径。对于高斯光束，它在激光束强度降至其峰值的 13.5% 时停止。
光斑尺寸越小意味着能量峰值越高。它可以通过聚焦透镜和扩束器等光学元件进行调整。
一些激光工艺需要较小的光斑尺寸。例如，我们通常使用 0.125 毫米的光斑尺寸进行激光打标。但对于需要深入材料的工艺，我们使用 0.075 毫米的较小光斑尺寸。
光束轮廓
光束轮廓是激光能量沿激光束直径的分布情况。它是使用光束分析仪进行测量的。可以在激光束路径上的不同位置进行测量。
如果查看上图中的高斯分布，会发现距离光束中心越远，能量水平越低。如果观察平顶轮廓，会发现能量水平是恒定的。高斯轮廓可以达到更高的峰值功率和更小的光斑尺寸，而平顶轮廓可以更好地利用总能量，并且可以获得更准确的结果(例如激光切割时更干净的切割)。
平顶光束的成本效率低于高斯光束，因为它们需要额外的设置(即改变光束形状的衍射光学元件)。高斯光束具有“自然”的光束形状。
四、平均功率、峰值功率和功率密度：有什么区别?
平均功率
平均功率与激光功率相同。它代表激光器在一秒内的平均输出功率。100W的激光器，无论是连续的还是脉冲的，平均功率都是100W。
峰值功率
峰值功率是激光器在特定时间间隔内达到的最高功率输出。简单来说，它表示脉冲相对于其持续时间所包含的能量。
当毫焦耳在很短的时间内集中时，它们就会达到高能量水平。其效果类似于几乎完全堵塞软管喷嘴时的效果。从小孔中流出的水压要大得多。当激光束聚焦在小区域和短持续时间时，这同样适用于激光束的能量。
要计算峰值功率，只需将脉冲能量(以焦耳为单位)除以脉冲持续时间(以秒为单位)即可。例如，脉冲持续时间为 100 ns 的 1 mJ 脉冲的峰值功率至少为 10,000 瓦。
功率密度
功率密度，也称为辐照度，是帮助我们了解能量集中度的参数。以 W/cm 2为单位测量，它显示了能量传输率(以瓦特表示)与光束尺寸(以 cm 2表示)的关系。要确定功率密度，可以将激光功率除以光束尺寸。