| 發布日期：2022-03-14 |
從材料加工，激光手術和遙感等各種應用中可以找到各種各樣的通用激光系統，但是許多激光系統具有相同的關鍵參數。 為這些參數建立通用術語可以防止通信錯誤，理解它們可以正確指定激光系統和組件，以滿足您的應用需求。
圖1：普通激光材料加工系統的示意圖，其中激光系統的10個關鍵參數中的每一個均由其相應的數字表示
基本參數
以下基本參數是激光系統的最基本概念，對于理解更高級的主題至關重要。
1：波長（典型單位：nm至μm）
激光的波長描述了發出的光波的空間頻率。給定用例的**波長高度依賴于應用。不同的材料在材料加工過程中將具有獨特的依賴于波長的吸收特性，從而導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某些波長產生不同的影響，而各種膚色在醫用激光應用中將對某些波長產生不同的吸收。較短波長的激光器和激光光學器件由于聚焦點較小，有利于在最小的外圍發熱的情況下創建小而精確的特征。但是，與更長波長的激光器相比，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，重復頻率和平均功率之間關系的直觀表示
更高功率和能量的激光器通常更昂貴，并且它們產生更多的廢熱。 隨著功率和能量的增加，維持高光束質量也變得越來越困難。 有關脈沖激光器和連續波激光器的更多信息，請參見我們的《了解和指定激光組件的LIDT》應用說明。
3：脈沖持續時間（典型單位：fs至ms）
激光脈沖持續時間或脈沖寬度通常定義為激光光功率對時間的一半**全寬（FWHM）（圖3）。 超快激光器在包括精密材料加工和醫用激光器在內的一系列應用中均具有許多優勢，其特點是脈沖持續時間短至皮秒（10-12
s）到阿秒（10-18
s）。 有關更多信息，請參見我們的超快色散和高色散鏡應用說明。
圖3：重復頻率的倒數在時間上將脈沖激光的脈沖分開
4：重復率（典型單位：Hz至MHz）
脈沖激光器的重復頻率或脈沖重復頻率描述了每秒發射的脈沖數或時間脈沖間隔的倒數（圖3）。如前所述，重復頻率與脈沖能量成反比，與平均功率成正比。雖然重復率通常取決于激光增益介質，但在許多情況下可以改變。較高的重復率導致在激光光學器件表面和最終聚焦點處的熱弛豫時間更少，從而導致更快的材料加熱。
5：相干長度（典型單位：mm至m）
激光是相干的，這意味著在不同時間或位置的電場相位值之間具有固定的關系。發生這種情況是因為與大多數其他類型的光源不同，激光是由受激發射產生的。相干性在整個傳播過程中降低，并且激光的相干長度定義了一個距離，在該距離上，其時間相干性保持一定質量。
6：偏振
偏振定義了光波電場的方向，該方向始終垂直于傳播方向。在大多數情況下，激光將被線性偏振，這意味著發出的電場始終指向同一方向。非偏振光會使電場指向許多不同的方向。偏振度通常表示為兩個正交偏振態（例如100：1或500：1）的光功率之比。有關偏振的更多信息，請訪問我們的偏振簡介應用說明。
光束參數
以下參數表征了激光束的形狀和質量。
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，該寬度由光束強度達到其**值的1/e2（≈13.5％）的點界定。在1/e2點，電場強度下降到**值的1 / e（≈37％）。光束直徑越大，就需要更大的光學器件和整個系統，以避免削波，這增加了成本。但是，減小光束直徑會增加功率/能量密度，這也可能是有害的（請參閱下一個參數）。
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。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/能量密度通常對于防止激光引起的損壞在系統內部很有用。這也防止了光束的高功率/能量密度區域使空氣電離。由于這些原因，擴束器通常用于增加直徑，從而降低激光系統內部的功率/能量密度，如我們的激光擴束器應用說明中所述。但是，必須注意不要將光束擴展得太大，以免光束從系統的孔中被截斷，從而浪費能量和潛在的損壞。
9：光束輪廓
激光的光束輪廓描述了光束橫截面的分布強度。常見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，由于激光器內部始終存在一些熱點或波動，因此任何激光器都無法產生完美的高斯光束或平頂光束，其光束輪廓與其特征函數完全匹配。通常通過包括激光器的M2因子在內的指標來描述激光器的實際光束輪廓與理想光束之間的差異。有關光束輪廓和表征光束質量的更多信息，請參見我們的高斯光束傳播和光束形狀，光束質量和斯特列爾比應用手冊。
圖4：比較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，結果表明，高斯光束的峰值強度為平頂光束的2倍
10：發散（典型單位：mrad）
雖然通常假定激光束是準直的，但它們始終包含一定量的發散，這描述了由于衍射，光束在距激光束腰的距離增加時散開了多少。 在長工作距離的應用中，例如激光雷達系統中，物體可能距離激光系統數百米，因此發散成為一個特別重要的問題。 光束發散度通常由激光的半角定義，高斯光束的發散度（θ）定義為：
λ是激光的波長，w0是激光的束腰。 有關發散的更多信息，請參見我們的高斯光束傳播應用說明。 如我們的激光擴束器應用說明中所述，可以通過增加光束直徑來減小發散。
最終系統參數
這些最終參數描述了激光系統輸出端的性能。
11：點尺寸（典型單位：μm）
聚焦激光束的光斑大小描述了聚焦透鏡系統焦點處的光束直徑。 在許多應用中，例如材料處理和醫學手術，目標是使光斑尺寸最小化。 這樣可以**程度地提高功率密度，并允許創建特別精細的功能（圖5）。 非球面透鏡通常代替傳統的球面透鏡使用，以減少球面像差并產生較小的焦點尺寸。 某些類型的激光系統并不能最終將激光聚焦到一個點，在這種情況下，此參數不適用。
圖5：意大利理工學院的激光微加工實驗表明，當將光斑尺寸從220μm減小到9μm且恒定通量時，納秒級激光鉆孔系統的燒蝕效率提高了10倍1
12：工作距離（典型單位：μm至m）
激光系統的工作距離通常定義為從最終光學元件（通常是聚焦透鏡）到激光聚焦到的物體或表面的物理距離。 某些應用（例如醫用激光）通常試圖最小化工作距離，而其他應用（例如遙感）通常旨在**化其工作距離范圍。
參考文獻
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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