激光器的性能指標(biāo)
***、基本參數(shù)
以下基本參數(shù)是激光系統(tǒng)的***基本概念，也對理解更高***的要點(diǎn)至關(guān)重要。
1. 波長(典型單位:nm到um)
激光器的波長描述了發(fā)射光波的空間頻率。給定用例的***佳波長高度依賴于應(yīng)用。不同的材料在材料加工中會(huì)具有獨(dú)特的波長依賴性吸收特性，導(dǎo)致與材料的相互作用不同。類似地，大氣吸收和干擾在遙感中會(huì)對某些波長產(chǎn)生不同的影響，而在醫(yī)療激光應(yīng)用中，各種絡(luò)合物對某些波長的吸收也會(huì)不同。更短波長的激光器和激光光學(xué)器件有利于在***小的外圍加熱的情況下創(chuàng)建小而精確的特征，因?yàn)榻拱吒 Ｈ欢?，它們通常比更長波長的激光更昂貴，更容易損壞。
線寬 激光器的光譜寬度，也可以說是輸出光的頻率范圍常以赫茲(Hz)或納米(nm)為單位。線寬越窄，激光的波長越純，相干性越好。
2. 功率和能量(典型單位:W或J)
激光器的功率以瓦特(W)為單位測量，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，其與平均功率成正比，與激光器的重復(fù)率成反比。能量以焦耳(J)為單位。
脈沖激光的脈沖能量、重復(fù)率和平均功率之間關(guān)系的可視化表示
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，保持高光束質(zhì)量也變得越來越困難。
3. 脈沖持續(xù)時(shí)間(典型單位:fs到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與時(shí)間的半峰全寬(FWHM)。超快激光器在包括精確材料加工和醫(yī)用激光器在內(nèi)的***系列應(yīng)用中具有許多優(yōu)點(diǎn)，其特征是脈沖持續(xù)時(shí)間短，約為皮秒(10-12秒)至阿秒(10-18秒)。
脈沖激光的脈沖在時(shí)間上被重復(fù)率的倒數(shù)分開
激光器的脈沖寬度是指激光脈沖的時(shí)間長度，是描述脈沖激光器性能的重要參數(shù)之不同的激光器可以產(chǎn)生不同時(shí)間尺度的脈沖，通常用納秒、皮秒、飛秒和阿秒等單位來描述。 納秒激光器(Nanosecond Laser):脈沖寬度在納秒***別，通常在幾納秒到幾十納秒之間。這種類型的激光器常用于需要中等能量的應(yīng)用，如材料加工、醫(yī)療治療、激光雷達(dá)等。 皮秒激光器(Picosecond Laser):脈沖寬度在皮秒***別，通常在幾皮秒到幾十皮秒之間。皮秒激光器可以產(chǎn)生更短的脈沖，適用于需要更高精度和更少熱損傷的應(yīng)用，如超快光學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、材料加工等。 脈沖寬度在飛秒***別，通常在幾飛秒到幾十飛秒激光器(Femtosecond Laser):秒之間。飛秒激光器產(chǎn)生極短的光脈沖，可以實(shí)現(xiàn)超高精度的加工和研究，常用于超快光學(xué)、精密加工、眼科手術(shù)等領(lǐng)域。 阿秒激光器(Attosecond Laser):脈沖寬度在阿秒***別，通常在幾阿秒到幾十阿秒之間。這是極端超快的激光器類型，用于研究原子和分子的超快動(dòng)力學(xué)過程，例如電子在原子中的運(yùn)動(dòng)。
4. 重復(fù)率(典型單位:Hz到MHZ)
脈沖激光的重復(fù)率或脈沖重復(fù)頻率描述了每秒發(fā)射的脈沖數(shù)或反向時(shí)間脈沖間隔。如前所述，重復(fù)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)，但在許多情況下它可以變化。更高的重復(fù)率導(dǎo)致激光光學(xué)器件表面和***終聚焦點(diǎn)的熱弛豫時(shí)間更短，這導(dǎo)致材料加熱更快。
低重復(fù)頻率激光器:重復(fù)頻率較低，通常在幾赫茲到幾千赫茲之間。這種類型的激光器適用于需要高能量單脈沖的應(yīng)用，如激光打孔、激光切割等。 中等重復(fù)頻率激光器:重復(fù)頻率適中，通常在幾千赫茲到幾十千赫茲之間。這種類型的激光器廣泛應(yīng)用于激光加工、激光標(biāo)記等領(lǐng)域，能夠平衡能量和速度。 高重復(fù)頻率激光器:重復(fù)頻率較高，通常在幾十千赫茲到幾百千赫茲甚至更高。這種類型的激光器適用于需要高速、高效加工的應(yīng)用，如激光打印、激光醫(yī)療等。 行頻 激光器的行頻通常指激光器輸出的脈沖重復(fù)頻率，即單位時(shí)間內(nèi)脈沖的發(fā)射次數(shù)。行頻是激光器性能的重要指標(biāo)之***，特別是在需要高頻率激光脈沖的應(yīng)用中，如激光雷達(dá)、激光通信等。 影響激光器行頻的因素包括: 泵浦源的特性:激光器的泵浦源是提供激發(fā)能量的關(guān)鍵組件，其性能直接影響激光器的行頻。泵浦源的工作頻率和功率會(huì)影響激光器的行頻范圍。 激光介質(zhì)特性:不同類型的激光介質(zhì)具有不同的特性，如Nd:YAG激光器和CO2激光器的行頻范圍可能會(huì)有所不同。 光學(xué)腔的設(shè)計(jì):光學(xué)腔的設(shè)計(jì)對激光器的行頻也有影響。合理設(shè)計(jì)的光學(xué)腔可以實(shí)現(xiàn)更高的行頻。 控制系統(tǒng):激光器的控制系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)激光器的工作參數(shù)，包括行頻。控制系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性對行頻的控制至關(guān)重要。 提高激光器行頻的方法包括: 優(yōu)化泵浦源:使用高效的泵浦源，并合理設(shè)計(jì)泵浦源的工作參數(shù)，可以提高激光器的行頻。 優(yōu)化光學(xué)腔:合理設(shè)計(jì)光學(xué)腔的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，可以提高激光器的行頻。 控制系統(tǒng)優(yōu)化:優(yōu)化激光器的控制系統(tǒng)，提高其對激光器行頻的控制精度和穩(wěn)定性。 選擇合適的激光介質(zhì):根據(jù)應(yīng)用需求選擇合適的激光介質(zhì)，不同的激光介質(zhì)具有不同的行頻范圍。 溫度控制:對激光器進(jìn)行恒溫控制，可以減小溫度變化對行頻的影響，提高行頻的穩(wěn)定性。
5. 相干長度(典型單位:毫米到米)
激光是相干的，這意味著不同時(shí)間或位置的電場相位值之間存在固定的關(guān)系。這是因?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。相干在整個(gè)傳播過程中退化，激光的相干長度定義了***段距離，在該距離上，激光的時(shí)間相干保持在***定的質(zhì)平。
相干性是衡量波保持致相位關(guān)系的。相干長度指在發(fā)生明顯相位變化前，波保持特征波形的距離。相干長度越長，說明光越同步，相位關(guān)系保持的距離越長光走過相千長度的時(shí)間叫相干時(shí)間。
6. 偏振
偏振定義了光波電場的方向，它總是垂直于傳播方向。在大多數(shù)情況下，激光將是線性偏振的，這意味著發(fā)射的電場始終指向同***方向。非偏振光將具有指向許多不同方向的電場。偏振度通常表示為兩個(gè)正交偏振態(tài)的光焦度之比，例如100:1或500:1。
偏振比 激光的偏振比是***個(gè)描述激光束偏振狀態(tài)的重要參數(shù)，它指的是激光光束中某***特定偏振方向上的電場強(qiáng)度與垂直于該方向上的電場強(qiáng)度的比值。在實(shí)際應(yīng)用中，激光的高偏振比通常是需要的，因?yàn)樗兄谔岣呒す庀到y(tǒng)的性能和精確性。 舉例來說，如果***個(gè)激光束在水平方向上偏振，那么激光的偏振比就表示水平方向上電場強(qiáng)度與垂直于水平方向的電場強(qiáng)度之比。如果偏振比為1，表示電場在水平和垂直方向上的強(qiáng)度相等，即非偏振狀態(tài);而如果偏振比大于1，表示電場在水平方向上的強(qiáng)度大于垂直方向上的強(qiáng)度，即偏振狀態(tài)。因此，激光的偏振比是描述其偏振性質(zhì)的重要參數(shù)，對于許多光學(xué)應(yīng)用中的設(shè)計(jì)和操作都具有關(guān)鍵意義。 激光偏振比的重要性 光學(xué)系統(tǒng)匹配:某些光學(xué)元件，如偏振片、波片等，對偏振光的響應(yīng)與非偏振光不同。激光束的高偏振比可以確保這些光學(xué)元件效能***大化。 增強(qiáng)過程效率:在激光加工中，如切割、打孔或焊接，特定偏振狀態(tài)的激光可以提高處理效率和質(zhì)量。例如，線性偏振激光可以在與偏振方向相互作用的金屬表面上產(chǎn)生更干凈、更精確的切割效果。 測量和分析:在光譜學(xué)和光學(xué)成像等領(lǐng)域，偏振激光被用來探測和分析樣品的光學(xué)性質(zhì)。高偏振比的激光可以提供更為精確的數(shù)據(jù)。 測量激光偏振比: 激光偏振比的測量通常涉及使用偏振片和光強(qiáng)計(jì)。通過旋轉(zhuǎn)偏振片，并測量不同角度下的光強(qiáng)，可以計(jì)算出激光偏振比。理想情況下，完全偏振的光束會(huì)有***個(gè)非常高的偏振比，接近無限大，而完全非偏振的光束的偏振比則為1。在選擇或設(shè)計(jì)激光系統(tǒng)時(shí)，了解激光的偏振比以及如何控制它是至關(guān)重要的，這有助于優(yōu)化系統(tǒng)的整體性能和適用性。
二、光束參數(shù)
以下參數(shù)表征激光束的形狀和質(zhì)量。
7. 光束直徑(典型單位:mm至cm)
激光器的光束直徑表征光束的橫向延伸，或其垂直于傳播方向的物理尺寸。它通常定義為1/e2寬度，該寬度由光束強(qiáng)度達(dá)到1/e2(:13.5%)。在1/e2點(diǎn)，電場強(qiáng)度降至1/e(37%)。光束直徑越大，光學(xué)器件和整個(gè)系統(tǒng)就需要越大，以避免光束被截?cái)?，從而增加成本。然而，光束直徑的減小會(huì)增加功率/能量密度，這也可能是有害的。
8. 功率或能量密度(典型單位:Wicm2至MW/cm2或uJ/cm2至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，具有恒定功率或能量的光束的功率/能量密度就越小。在系統(tǒng)的***終輸出(例如在激光切割或焊接中)，高功率/能量密度通常是理想的，但在系統(tǒng)內(nèi)部，低功率/能量濃度通常是有益的，以防止激光引起的損傷。這也防止了光束的高功率/能量密度區(qū)域電離空氣。由于這些原因，除其他原因外，激光束擴(kuò)展器經(jīng)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。然而，必須注意不要使光束膨脹過大，以免光束從系統(tǒng)中的孔隙中被遮擋，從而導(dǎo)致能量浪費(fèi)和潛在損壞。
9. 光束輪廓
激光器的光束輪廓描述了光束橫截面上的分布強(qiáng)度。常見的光束輪包括高斯光束和平頂光束，其光束輪廓分別遵循高斯函數(shù)和平頂函數(shù)(圖4)。然而，沒有***種激光器能夠產(chǎn)生光束輪廓與其特征函數(shù)完全匹配的完全高斯或完全平坦的頂部光束，因?yàn)榧す馄鲀?nèi)部總是存在***定數(shù)量的熱點(diǎn)或波動(dòng)。激光器的實(shí)際光束輪廓和理想光束輪廓之間的差異通常通過包括激光器的M2因子在內(nèi)的度量來描述。
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的比較表明，高斯光束的峰值強(qiáng)度是平頂光束的兩倍
10.發(fā)散度(典型單位:mrad)
雖然激光束通常被認(rèn)為是準(zhǔn)直的，但它們總是包含***定量的發(fā)散，這描述了由于衍射，光束在距離激光器束腰越來越遠(yuǎn)的距離上發(fā)散的程度。在長工作距離的應(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，發(fā)散性成為***個(gè)特別重要的問題。光束發(fā)散度通常由激光器的半角定義，高斯光束的發(fā)散度(0)定義為:
λ是激光器的波長，w0是激光器的束腰。
發(fā)散角的大小影響著激光束的聚焦能力和在特定距離上的光斑大小，對于許多應(yīng)用來說是***個(gè)關(guān)鍵的性能指標(biāo)。發(fā)射角越大，相同的距離，光斑的大小越大。
發(fā)散角的影響:
射程和聚焦:發(fā)散角越小，激光束的射程越遠(yuǎn)，聚焦效果越好。小發(fā)散角意味著激光束可以在較遠(yuǎn)的距離上保持較小的光斑，這對于精確打標(biāo)、切割等應(yīng)用非常重要。
能量密度:發(fā)散角較小的激光束，在較遠(yuǎn)的距離上仍能維持較高的能量密度，這對.些需要高能量密度的應(yīng)用(如激光武器、遠(yuǎn)距離傳輸?shù)?至關(guān)重要。
三、***終系統(tǒng)參數(shù)
***終參數(shù)描述了激光系統(tǒng)輸出時(shí)的性能。
11. 光斑尺寸(典型單位:μm)
聚焦激光束的光斑尺寸描述了聚焦透鏡系統(tǒng)焦點(diǎn)處的光束直徑。光斑直徑的大小取決于多種因素，包括激光束的發(fā)散角度、聚焦系統(tǒng)的焦距和質(zhì)量、以及目標(biāo)表面與激光束的距離等。在許多應(yīng)用中，如材料加工和醫(yī)療手術(shù)，目標(biāo)是***大限度地減小斑點(diǎn)大小。這***大限度地提高了功率密度，并允許創(chuàng)建特別精細(xì)的功能。通常使用非球面透鏡來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的球面透鏡，以減少球面像差并產(chǎn)生更小的焦斑尺寸。某些類型的激光系統(tǒng)***終不會(huì)將激光聚焦到光斑，在這種情況下，該參數(shù)不適用。
在激光應(yīng)用中，光斑直徑的大小對于加工精度和效率至關(guān)重要。通常情況下，較小的光斑直徑意味著更高的空間分辨率和加工精度，但可能需要更復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。相反，較大的光斑直徑可能會(huì)降低空間分辨率，但在某些情況下可能更適合于快速加工。
12:工作距離(典型單位:um到m)
激光系統(tǒng)的工作距離通常定義為從***終光學(xué)元件(通常是聚焦透鏡)到激光聚焦的物體或表面的物理距離。某些應(yīng)用，如醫(yī)用激光器，通常尋求***小化工作距離，而其他應(yīng)用，如遙感，通常旨在***大化其工作距離范圍。
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