導(dǎo)語

在材料加工、激光手術(shù)或是遙感探測(cè)等前沿領(lǐng)域，激光系統(tǒng)的應(yīng)用千變?nèi)f化。但無論應(yīng)用場景如何改變，決定系統(tǒng)成敗的往往是那幾個(gè)核心的物理參數(shù)。

很多時(shí)候，項(xiàng)目中的溝通誤解、組件選型錯(cuò)誤，甚至系統(tǒng)損傷，都源于對(duì)這些基礎(chǔ)術(shù)語的理解偏差。

今天，我們基于《激光光學(xué)資源指南》，為您梳理了激光系統(tǒng)的12個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。建立通用的術(shù)語體系，不僅能防止表述錯(cuò)誤，更能幫助您精準(zhǔn)匹配應(yīng)用需求。

全是干貨，建議先收藏再閱讀！

01. 基礎(chǔ)參數(shù)：激光的“身份ID"

要理解高級(jí)主題，首先要掌握描述激光特性的最基本概念。

1. 波長(常用單位: nm 到 µm)

波長決定了激光與材料的“互動(dòng)方式"。

• 材料加工： 不同材料對(duì)不同波長的吸收率天差地別。

• 精度控制： 短波長（如UV）聚焦光斑更小，熱影響區(qū)極小，適合精密加工；但成本較高且易損。

• 環(huán)境影響： 在遙感或醫(yī)療應(yīng)用中，還需考慮大氣干擾或皮膚組織的吸收特性。

2. 功率和能量(常用單位: W 或 J)

這是衡量激光“勁兒"有多大的指標(biāo)。

• 連續(xù)波 (CW) 激光器： 看光功率輸出（瓦特 W）。

• 脈沖激光器： 看平均功率和脈沖能量（焦耳 J）。

劃重點(diǎn)： 脈沖能量與平均功率成正比，與重復(fù)率成反比。

圖 1：脈沖激光器的脈沖能量、重復(fù)率和平均功率之間關(guān)系的直觀表示法

3. 脈沖持續(xù)時(shí)間 (常用單位: fs 至 ms)

即脈寬。通常定義為激光達(dá)到至高光學(xué)功率一半 (FWHM) 所用的時(shí)間。

• 超快激光： 皮秒 (10?12s) 甚至阿秒 (10?1? s) 級(jí)別，加工精度較高。

圖 2：脈沖激光器的脈沖時(shí)間間隔為重復(fù)率的倒數(shù)

4. 重復(fù)率 (常用單位: Hz 到 MHz)

每秒發(fā)射多少個(gè)脈沖。

• 熱效應(yīng)： 重復(fù)率越高，材料受熱越快，因?yàn)闊岢谠r(shí)間變短了。

• 權(quán)衡： 記住，重復(fù)率越高，單脈沖能量通常會(huì)越低（在平均功率不變的情況下）。

5. 相干長度 (常用單位: mm 到 cm)

激光區(qū)別于普通光源的核心在于“相干性"。相干長度定義了激光在傳播過程中，保持相位關(guān)系質(zhì)量的距離。這對(duì)于全息成像等應(yīng)用至關(guān)重要。

6. 偏振

電場的方向。大多數(shù)激光是線偏振的。偏振度（如 100:1）越高，代表光束的偏振純度越好。這在涉及偏振光學(xué)元件（如隔離器、波片）的系統(tǒng)中非常關(guān)鍵。

02. 光束參數(shù)：光長什么樣？

光束的形狀和質(zhì)量，直接決定了光怎么傳輸、怎么聚焦。

1. 光束直徑 (常用單位: mm 到 cm)

通常定義在1/e2寬度處（強(qiáng)度降至至高值13.5%的點(diǎn)）。

• 系統(tǒng)成本： 光束越粗，需要的光學(xué)元件尺寸就越大，成本越高。

• 主要矛盾： 減小直徑雖然省錢，但會(huì)顯著增加功率密度，可能導(dǎo)致元件損傷。

2. 功率/能量密度 (常用單位: W/cm2或 J/cm2)

單位面積上的能量。

• 系統(tǒng)內(nèi)部： 我們希望密度低一點(diǎn)，防止燒壞鏡片或電離空氣（這也是為什么常用擴(kuò)束鏡來增大光束直徑）。

• 系統(tǒng)輸出： 在切割或焊接端，我們希望密度高一點(diǎn)，以確保加工效率。

3. 光束輪廓

光束橫截面的強(qiáng)度分布。

• 高斯光束： 能量集中在中心，峰值強(qiáng)度高。

• 平頂光束： 能量分布均勻，適合表面處理。

• 現(xiàn)實(shí)情況： 沒有精良的理想光束，通常用 因子來衡量實(shí)際光束與理想高斯光束的差異。

圖 3：對(duì)平均功率或強(qiáng)度相同的高斯光束和平頂光束的光束輪廓進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn)，高斯光束的峰值強(qiáng)度是平頂光束的 2 倍。

4. 發(fā)散度 (常用單位: mrad)

激光不是必然平行的，它總會(huì)發(fā)散。

• 長距離應(yīng)用： 如激光雷達(dá)（LiDAR），發(fā)散度是核心指標(biāo)。

• 控制方法： 增大光束腰直徑，可以有效降低發(fā)散度（擴(kuò)束鏡的又一妙用）。

03. 系統(tǒng)輸出參數(shù)：最終效果

這些參數(shù)描述了激光經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)后，打在目標(biāo)上的狀態(tài)。

1. 光斑尺寸 (常用單位: µm)

聚焦透鏡焦點(diǎn)處的光束直徑。

• 目標(biāo)： 在微加工和手術(shù)中，我們追求極小的光斑，以獲得至高的功率密度和精細(xì)的特征。

• 技巧： 使用非球面透鏡代替球面透鏡，可以減少球差，獲得更小的焦斑。

圖 4：技術(shù)研究所進(jìn)行的激光微加工實(shí)驗(yàn)表明，在恒定通量下，當(dāng)光斑尺寸從 220 微米減小到 9 微米時(shí)，納秒激光鉆孔系統(tǒng)的燒蝕效率提高了十倍1。

2. 工作距離 (常用單位: µm 到 m)

從最后壹個(gè)光學(xué)元件到焦點(diǎn)的物理距離。

• 醫(yī)療應(yīng)用： 通常很短。

• 遙感/雷達(dá)： 范圍極廣。

總結(jié)

從光源的產(chǎn)生（波長、脈沖），到光束的傳輸（直徑、發(fā)散度），再到最終的聚焦（光斑、工作距離），這12個(gè)參數(shù)構(gòu)成了激光系統(tǒng)的“骨架"。

無論是設(shè)計(jì)新的光學(xué)系統(tǒng)，還是采購現(xiàn)成的激光組件，準(zhǔn)確定義這些參數(shù)是避免昂貴錯(cuò)誤的第壹步。

圖5: 常見激光材料加工系統(tǒng)示意圖，其中激光系統(tǒng)的 10 個(gè)關(guān)鍵參數(shù)分別用相應(yīng)的數(shù)字表示

想了解更多關(guān)于激光損傷閾值（LIDT）或高斯光束傳播的深層知識(shí)？

聯(lián)系客服，獲取完整的《激光光學(xué)資源指南》及更多技術(shù)書。