激光器的性能指标
- 2024-11-19 09:21:57
***、基本参数
以下基本参数是激光系统的***基本概念，也对理解更高***的要点至关重要。
1. 波长(典型单位:nm到um)
激光器的波长描述了发射光波的空间频率。给定用例的***佳波长高度依赖于应用。不同的材料在材料加工中会具有独特的波长依赖性吸收特性，导致与材料的相互作用不同。类似地，大气吸收和干扰在遥感中会对某些波长产生不同的影响，而在医疗激光应用中，各种络合物对某些波长的吸收也会不同。更短波长的激光器和激光光学器件有利于在***小的外围加热的情况下创建小而精确的特征，因为焦斑更小。然而，它们通常比更长波长的激光更昂贵，更容易损坏。
线宽 激光器的光谱宽度，也可以说是输出光的频率范围常以赫兹(Hz)或纳米(nm)为单位。线宽越窄，激光的波长越纯，相干性越好。
2. 功率和能量(典型单位:W或J)
激光器的功率以瓦特(W)为单位测量，用于描述连续波(CW)激光器的光功率输出或脉冲激光器的平均功率。脉冲激光器的特征还在于其脉冲能量，其与平均功率成正比，与激光器的重复率成反比。能量以焦耳(J)为单位。
脉冲激光的脉冲能量、重复率和平均功率之间关系的可视化表示
更高功率和能量的激光器通常更昂贵，并且它们产生更多的废热。随着功率和能量的增加，保持高光束质量也变得越来越困难。
3. 脉冲持续时间(典型单位:fs到ms)
激光脉冲持续时间或脉冲宽度通常定义为激光光功率与时间的半峰全宽(FWHM)。超快激光器在包括精确材料加工和医用激光器在内的***系列应用中具有许多优点，其特征是脉冲持续时间短，约为皮秒(10-12秒)至阿秒(10-18秒)。
脉冲激光的脉冲在时间上被重复率的倒数分开
激光器的脉冲宽度是指激光脉冲的时间长度，是描述脉冲激光器性能的重要参数之不同的激光器可以产生不同时间尺度的脉冲，通常用纳秒、皮秒、飞秒和阿秒等单位来描述。 纳秒激光器(Nanosecond Laser):脉冲宽度在纳秒***别，通常在几纳秒到几十纳秒之间。这种类型的激光器常用于需要中等能量的应用，如材料加工、医疗治疗、激光雷达等。 皮秒激光器(Picosecond Laser):脉冲宽度在皮秒***别，通常在几皮秒到几十皮秒之间。皮秒激光器可以产生更短的脉冲，适用于需要更高精度和更少热损伤的应用，如超快光学、生物医学、材料加工等。 脉冲宽度在飞秒***别，通常在几飞秒到几十飞秒激光器(Femtosecond Laser):秒之间。飞秒激光器产生极短的光脉冲，可以实现超高精度的加工和研究，常用于超快光学、精密加工、眼科手术等领域。 阿秒激光器(Attosecond Laser):脉冲宽度在阿秒***别，通常在几阿秒到几十阿秒之间。这是极端超快的激光器类型，用于研究原子和分子的超快动力学过程，例如电子在原子中的运动。
4. 重复率(典型单位:Hz到MHZ)
脉冲激光的重复率或脉冲重复频率描述了每秒发射的脉冲数或反向时间脉冲间隔。如前所述，重复率与脉冲能量成反比，与平均功率成正比。虽然重复率通常取决于激光增益介质，但在许多情况下它可以变化。更高的重复率导致激光光学器件表面和***终聚焦点的热弛豫时间更短，这导致材料加热更快。
低重复频率激光器:重复频率较低，通常在几赫兹到几千赫兹之间。这种类型的激光器适用于需要高能量单脉冲的应用，如激光打孔、激光切割等。 中等重复频率激光器:重复频率适中，通常在几千赫兹到几十千赫兹之间。这种类型的激光器广泛应用于激光加工、激光标记等领域，能够平衡能量和速度。 高重复频率激光器:重复频率较高，通常在几十千赫兹到几百千赫兹甚至更高。这种类型的激光器适用于需要高速、高效加工的应用，如激光打印、激光医疗等。 行频 激光器的行频通常指激光器输出的脉冲重复频率，即单位时间内脉冲的发射次数。行频是激光器性能的重要指标之***，特别是在需要高频率激光脉冲的应用中，如激光雷达、激光通信等。 影响激光器行频的因素包括: 泵浦源的特性:激光器的泵浦源是提供激发能量的关键组件，其性能直接影响激光器的行频。泵浦源的工作频率和功率会影响激光器的行频范围。 激光介质特性:不同类型的激光介质具有不同的特性，如Nd:YAG激光器和CO2激光器的行频范围可能会有所不同。 光学腔的设计:光学腔的设计对激光器的行频也有影响。合理设计的光学腔可以实现更高的行频。 控制系统:激光器的控制系统可以调节激光器的工作参数，包括行频。控制系统的性能和稳定性对行频的控制至关重要。 提高激光器行频的方法包括: 优化泵浦源:使用高效的泵浦源，并合理设计泵浦源的工作参数，可以提高激光器的行频。 优化光学腔:合理设计光学腔的结构和参数，可以提高激光器的行频。 控制系统优化:优化激光器的控制系统，提高其对激光器行频的控制精度和稳定性。 选择合适的激光介质:根据应用需求选择合适的激光介质，不同的激光介质具有不同的行频范围。 温度控制:对激光器进行恒温控制，可以减小温度变化对行频的影响，提高行频的稳定性。
5. 相干长度(典型单位:毫米到米)
激光是相干的，这意味着不同时间或位置的电场相位值之间存在固定的关系。这是因为与大多数其他类型的光源不同，激光是由受激发射产生的。相干在整个传播过程中退化，激光的相干长度定义了***段距离，在该距离上，激光的时间相干保持在***定的质平。
相干性是衡量波保持致相位关系的。相干长度指在发生明显相位变化前，波保持特征波形的距离。相干长度越长，说明光越同步，相位关系保持的距离越长光走过相千长度的时间叫相干时间。
6. 偏振
偏振定义了光波电场的方向，它总是垂直于传播方向。在大多数情况下，激光将是线性偏振的，这意味着发射的电场始终指向同***方向。非偏振光将具有指向许多不同方向的电场。偏振度通常表示为两个正交偏振态的光焦度之比，例如100:1或500:1。
偏振比 激光的偏振比是***个描述激光束偏振状态的重要参数，它指的是激光光束中某***特定偏振方向上的电场强度与垂直于该方向上的电场强度的比值。在实际应用中，激光的高偏振比通常是需要的，因为它有助于提高激光系统的性能和精确性。 举例来说，如果***个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电场强度与垂直于水平方向的电场强度之比。如果偏振比为1，表示电场在水平和垂直方向上的强度相等，即非偏振状态;而如果偏振比大于1，表示电场在水平方向上的强度大于垂直方向上的强度，即偏振状态。因此，激光的偏振比是描述其偏振性质的重要参数，对于许多光学应用中的设计和操作都具有关键意义。 激光偏振比的重要性 光学系统匹配:某些光学元件，如偏振片、波片等，对偏振光的响应与非偏振光不同。激光束的高偏振比可以确保这些光学元件效能***大化。 增强过程效率:在激光加工中，如切割、打孔或焊接，特定偏振状态的激光可以提高处理效率和质量。例如，线性偏振激光可以在与偏振方向相互作用的金属表面上产生更干净、更精确的切割效果。 测量和分析:在光谱学和光学成像等领域，偏振激光被用来探测和分析样品的光学性质。高偏振比的激光可以提供更为精确的数据。 测量激光偏振比: 激光偏振比的测量通常涉及使用偏振片和光强计。通过旋转偏振片，并测量不同角度下的光强，可以计算出激光偏振比。理想情况下，完全偏振的光束会有***个非常高的偏振比，接近无限大，而完全非偏振的光束的偏振比则为1。在选择或设计激光系统时，了解激光的偏振比以及如何控制它是至关重要的，这有助于优化系统的整体性能和适用性。
二、光束参数
以下参数表征激光束的形状和质量。
7. 光束直径(典型单位:mm至cm)
激光器的光束直径表征光束的横向延伸，或其垂直于传播方向的物理尺寸。它通常定义为1/e2宽度，该宽度由光束强度达到1/e2(:13.5%)。在1/e2点，电场强度降至1/e(37%)。光束直径越大，光学器件和整个系统就需要越大，以避免光束被截断，从而增加成本。然而，光束直径的减小会增加功率/能量密度，这也可能是有害的。
8. 功率或能量密度(典型单位:Wicm2至MW/cm2或uJ/cm2至J/cm2)
光束直径与激光束的功率/能量密度或单位面积的光功率/能量有关。光束直径越大，具有恒定功率或能量的光束的功率/能量密度就越小。在系统的***终输出(例如在激光切割或焊接中)，高功率/能量密度通常是理想的，但在系统内部，低功率/能量浓度通常是有益的，以防止激光引起的损伤。这也防止了光束的高功率/能量密度区域电离空气。由于这些原因，除其他原因外，激光束扩展器经常用于增加直径，从而降低激光系统内部的功率/能量密度。然而，必须注意不要使光束膨胀过大，以免光束从系统中的孔隙中被遮挡，从而导致能量浪费和潜在损坏。
9. 光束轮廓
激光器的光束轮廓描述了光束横截面上的分布强度。常见的光束轮包括高斯光束和平顶光束，其光束轮廓分别遵循高斯函数和平顶函数(图4)。然而，没有***种激光器能够产生光束轮廓与其特征函数完全匹配的完全高斯或完全平坦的顶部光束，因为激光器内部总是存在***定数量的热点或波动。激光器的实际光束轮廓和理想光束轮廓之间的差异通常通过包括激光器的M2因子在内的度量来描述。
具有相同平均功率或强度的高斯光束和平顶光束的光束轮廓的比较表明，高斯光束的峰值强度是平顶光束的两倍
10.发散度(典型单位:mrad)
虽然激光束通常被认为是准直的，但它们总是包含***定量的发散，这描述了由于衍射，光束在距离激光器束腰越来越远的距离上发散的程度。在长工作距离的应用中，例如激光雷达系统中，物体可能距离激光系统数百米，发散性成为***个特别重要的问题。光束发散度通常由激光器的半角定义，高斯光束的发散度(0)定义为:
λ是激光器的波长，w0是激光器的束腰。
发散角的大小影响着激光束的聚焦能力和在特定距离上的光斑大小，对于许多应用来说是***个关键的性能指标。发射角越大，相同的距离，光斑的大小越大。
发散角的影响:
射程和聚焦:发散角越小，激光束的射程越远，聚焦效果越好。小发散角意味着激光束可以在较远的距离上保持较小的光斑，这对于精确打标、切割等应用非常重要。
能量密度:发散角较小的激光束，在较远的距离上仍能维持较高的能量密度，这对.些需要高能量密度的应用(如激光武器、远距离传输等)至关重要。
三、***终系统参数
***终参数描述了激光系统输出时的性能。
11. 光斑尺寸(典型单位:μm)
聚焦激光束的光斑尺寸描述了聚焦透镜系统焦点处的光束直径。光斑直径的大小取决于多种因素，包括激光束的发散角度、聚焦系统的焦距和质量、以及目标表面与激光束的距离等。在许多应用中，如材料加工和医疗手术，目标是***大限度地减小斑点大小。这***大限度地提高了功率密度，并允许创建特别精细的功能。通常使用非球面透镜来代替传统的球面透镜，以减少球面像差并产生更小的焦斑尺寸。某些类型的激光系统***终不会将激光聚焦到光斑，在这种情况下，该参数不适用。
在激光应用中，光斑直径的大小对于加工精度和效率至关重要。通常情况下，较小的光斑直径意味着更高的空间分辨率和加工精度，但可能需要更复杂的光学系统来实现。相反，较大的光斑直径可能会降低空间分辨率，但在某些情况下可能更适合于快速加工。
12:工作距离(典型单位:um到m)
激光系统的工作距离通常定义为从***终光学元件(通常是聚焦透镜)到激光聚焦的物体或表面的物理距离。某些应用，如医用激光器，通常寻求***小化工作距离，而其他应用，如遥感，通常旨在***大化其工作距离范围。
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