激光系统关键参数详解

激光系统关键参数详解

激光系统种类繁多，应用广泛，包括材料加工、激光手术及远程传感等。了解这些关键参数有助于避免误解，并能根据各种应用需求，适当指定激光系统及元件。

图 1:一般激光材料加工系统示意图，其中以对应编号指出 10 项激光系统关键参数

基础参数

以下基础参数是理解激光系统的基本概念，也是了解进阶光学产品的关键所在。

1: 波长 (一般单位: nm 至 μm)

激光波长说明发射光波的空间频率。特定使用案例的最佳波长与应用息息相关。不同材料在材料加工中，具有波长相关的独特吸收属性，因此会与材料产生不同互动。同样地，大气吸收及干扰也会在远程传感中对特定波长造成不同影响，而各种状态在医疗激光应用吸收的特定波长也各不相同。较短的波长激光及激光光学产品可尽量减少周边热能，有利于建立小型精准的特征，但价格一般较为昂贵，且比长波长产品更容易受到损伤。

2: 功率及能量 (一般单位: W 或 J)

激光功率是以瓦 (W) 为单位测量，用于说明连续波 (CW) 激光的光学功率输出，或是脉冲激光的平均功率。脉冲激光也能通过本身的脉冲能量判定特性；脉冲能量与平均功率之间存在直接比例关系，与激光重复率之间则存在逆向比例关系 (图 2):

$$ \text{Pulse Energy} = \frac{\text{Average Power}}{\text{Repetition Rate}} $$

图 2:利用视觉方式呈现脉冲激光的脉冲能量、重复率及平均功率之间的关系

一般来说高功率及高能量激光较为昂贵，并产生更多废弃热能。此外随着功率及能量增加，也会更难维持高光束品质。有关脉冲及 CW激光的更多资讯，可参考激光诱发损伤阈值。

3: 脉冲期 (一般单位: fs 至 ms)

激光脉冲期也称为脉宽，一般定义为激光光学功率对比时间的半峰全幅 (FWHM) (图 3)。超快激光可为精密材料加工及医疗激光等一系列应用提供众多效益，其特性为具有皮秒 (10-12s) 至阿秒 (10-18s)的短脉冲期。 更多信息可参考超快色散及高色散反射镜。

图 3:脉冲激光的脉冲暂时由反向重复率分离

4: 重复率 (一般单位: Hz 至 MHz)

脉冲激光重复率也称为脉冲重复频率，说明每秒发射的脉冲数，或是逆时域脉冲间距 (图 3)。如前所述，重复率与脉冲能量呈逆向比例关系，与平均功率之间则为直接比例关系。虽然重复率通常取决于激光增益媒介，但在许多情况下可能发生变化。重复率升高会缩短激光光学产品表面及最终聚焦点的热松弛时间，进而加速材料加热。

5: 相干长度 (典型单位: mm 至 m)

激光光是相干的，意味着在不同时间和位置的电场相位值之间存在固定关系。这发生是因为激光光是由受激发射产生的，不同于大多数其他类型的光源。相干性在传播过程中会退化，激光的相干长度定义了一个距离，在此距离内其时间相干性保持一定的质量。

6: 偏振

偏振定义了光波电场的方向，总是垂直于传播方向。很多时候，激光光将是线性偏振的，意味着发出的电场始终指向同一方向。非偏振光的电场会指向许多不同的方向。偏振程度通常以两个正交偏振状态的光功率比表示，例如 100:1 或 500:1。有关偏振的更多信息，可访问我们的《偏振入门》应用说明。

光束参数

以下参数为激光光束的形状及品质特性。

7: 光束直径 (一般单位: mm 至 cm)

激光光束直径用于描述光束横向延伸特性，或是与传播方向垂直的实际尺寸。激光光束直径通常于宽度定义，以光束强度达到最大值 1/e2的点为界线。电场强度在 1/e2(≈ 13.5%) 点会下降至最大值的 1/e2。光束直径越大，光学产品及整体系统就要加大，以避免裁剪光束导致成本增加。不过缩减光束直径会增加功率/能量密度，可能产生不利影响（请参阅下一参数）。

8: 功率或能量密度 (一般单位: W/cm2至 MW/cm2或 µJ/cm2至 J/cm2)

光束直径与激光光束的功率/能量密度或每单位面积的光学功率/能量有关。光束直径越大，则恒定功率或能量光束的功率/能量密度就越小。 高功率/能量密度通常是系统最终输出的理想选择（例如激光切割或焊接），但低功率/能量密度则有利于在系统内部预防激光诱发损伤，也可以预防光束的高功率/能量密度区域造成空气离化。基于以上及其他种种原因，通常会使用扩束镜增加直经，借此降低激光系统内部的功率/能量密度 as described in our激光扩束镜。基于以上及其他种种原因，通常会使用扩束镜增加直经，借此降低激光系统内部的功率/能量密度。不过请注意不要让光束扩束大到在系统中受到光圈裁切，进而浪费能量及遭受潜在损害。

9: 光束轮廓

激光光束轮廓说明光束截面的分布强度。常见的光束轮廓包括高斯及平顶光束，两者的光束轮廓分别遵循高斯及平顶函数 (图 4)。不过没有激光能够产生完美的高斯或平顶光束，形成完全符合各自特性函数的光束轮廓，因为激光内部一定会有热斑或波动。激光实际光束轮廓与理想光束轮廓之间的差异，通常会通过包括激光 M2系数在内的各种指标加以说明。有关光束轮廓及光束品质特性的更多信息，可参考高斯光束传播及光束形状、光束品质及斯特列尔比。

图 4:比较高斯与平顶光束（平均功率或强度相同）的光束轮廓后，显示高斯光束尖峰强度可达到平顶光束的两倍

10: 发散性 (一般单位: mrad)

虽然通常会假设激光光束为平行状态，但其中一定会有一定程度的发散性，也就是随着激光束腰距离增加，光束因衍射所产生分散程度。发散性在工作距离长的应用中，是特别重要的一项问题，例如LIDAR 系统中的物体可能距离激光系统数百公尺远。光束发散性一般是由激光半角定义，而高斯光束的发散性 (θ) 定义为:

$$ \theta = \frac{\lambda}{\pi w_0} $$

λ 为激光波长， w0为激光束腰。有关发散性的更多信息，可参考高斯光束传播。增加光束直径可减少发散性，相关信息可参考激光扩束镜。

最终系统参数

以下最终参数说明激光系统输出效能。

11: 光斑大小 (一般单位: μm)

聚焦激光光束的光斑大小，说明对焦透镜系统焦点的光束直径。材料加工及医疗手术等许多应用的目标，都是要尽可能缩小光斑大小，以便达到最高的功率密度，并建立特别精细的特征 (图 5)。非球面透镜通常用以取代传统球面透镜，以减少球面像差并产生更小的焦点。有些类型的激光系统最后并不会将激光聚焦至一点，在这类情况下此参数就不适用。

图 5:意大利技术研究院 (Italian Institute of Technology) 进行的激光微加工实验显示，如果在恒定通量的情况下，将光斑大小由 220μm 缩减为 9μm，可让纳秒激光钻孔系统的烧蚀效率提升 10 倍1

12: 工作距离 (一般单位: μm 至 m)

激光系统的工作距离一般定义为最终光学元件（一般为聚焦透镜或碎屑防护装置）到激光所聚焦物体或表面的实际距离。医疗激光等特定应用通常会希望尽可能缩短工作距离，而远程传感等其他应用，则常以最大的工作距离范围为目标。

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.

本文原文来自Edmund Optics