在諸如材料加工、激光手術(shù)和遙感等多種應用中,存在多種多樣的常見(jiàn)激光系統,但許多激光系統都有共同的關(guān)鍵參數。為這些參數制訂通用的術(shù)語(yǔ)可以防止錯誤表述,通過(guò)理解這些術(shù)語(yǔ),可以正確地指定激光系統和組件,以滿(mǎn)足您的應用需求。
圖 1: 常見(jiàn)激光材料加工系統示意圖,其中激光系統的 10 個(gè)關(guān)鍵參數分別用相應的數字表示
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(guān)重要。
NO.1
波長(cháng) (常用單位: nm 到 µm)
激光的波長(cháng)描述了發(fā)射光波的空間頻率。特定使用案例的最佳波長(cháng)在很大程度上取決于應用。在材料加工過(guò)程中,不同的材料會(huì )有獨特的波長(cháng)吸收特性,從而與材料產(chǎn)生不同的相互作用。同樣,大氣吸收和干擾會(huì )對遙感中的某些波長(cháng)產(chǎn)生不同影響,而在醫療激光應用中,不同膚色對某些波長(cháng)的吸收也會(huì )不同。由于聚焦光斑較小,較短波長(cháng)的激光器和激光光學(xué)器件在創(chuàng )建小而精確的特征時(shí)具有優(yōu)勢,產(chǎn)生的外圍加熱極少。不過(guò),與波長(cháng)更長(cháng)的激光器相比,它們通常更昂貴,也更容易損壞。
NO.2
功率和能量 (常用單位: W 或 J)
激光功率的測量單位是瓦(W),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。此外,脈沖激光的特點(diǎn)是其脈沖能量與平均功率成正比,與脈沖的重復率成反比(圖 2)。能量的單位是焦耳(J)。
脈沖能量=平均功率重復率脈沖能量=平均功率重復率
圖 2: 脈沖激光器的脈沖能量、重復率和平均功率之間關(guān)系的直觀(guān)表示法
功率和能量更高的激光器通常更加昂貴,產(chǎn)生的廢熱也更多。隨著(zhù)功率和能量的增加,保持高光束質(zhì)量也變得越來(lái)越困難。
NO.3
脈沖持續時(shí)間(常用單位:fs 至 ms)
激光脈沖持續時(shí)間或(即:脈沖寬度)通常定義是激光達到最高光學(xué)功率的一半 (FWHM) 時(shí)所用的時(shí)間(圖 3)。超快激光器的特點(diǎn)是脈沖持續時(shí)間短,從皮秒(10-12 秒)到阿秒(10-18 秒)不等。
圖 3: 脈沖激光器的脈沖時(shí)間間隔為重復率的倒數
NO.4
重復率(常用單位:Hz 到 MHz)
脈沖激光器的重復率(即脈沖重復頻率)描述了每秒發(fā)射的脈沖數量,即時(shí)序脈沖間距的倒數(圖 3)。如前所述,重復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(zhì),但在許多情況下,重復率是可以變化的。重復率越高,激光光學(xué)元件表面和最終聚焦光斑的熱弛豫時(shí)間越短,從而使材料的加熱速度更快。
NO.5
相干長(cháng)度(常用單位:mm 到 cm)
激光具有相干性,這意味著(zhù)不同時(shí)間或位置的電場(chǎng)相位值之間存在固定的關(guān)系。這是因為激光是通過(guò)受激發(fā)射產(chǎn)生的,與大多數其他類(lèi)型的光源不同。在整個(gè)傳播過(guò)程中,相干性會(huì )逐漸減弱,而激光的相干長(cháng)度定義了其時(shí)間相干性保持一定質(zhì)量的距離。
NO.6
偏振
偏振定義了光波電場(chǎng)的方向,它總是垂直于傳播方向。大多數情況下,激光都是線(xiàn)性偏振的,這意味著(zhù)發(fā)射的電場(chǎng)始終指向同一個(gè)方向。非偏振光會(huì )產(chǎn)生指向許多不同方向的電場(chǎng)。偏振度通常用兩個(gè)正交偏振態(tài)的光功率之比來(lái)表示,如 100:1 或 500:1。
光束參數
以下參數描述了激光束的形狀和質(zhì)量。
NO.7
光束直徑(常用單位:mm 到 cm)
激光的光束直徑表示光束的橫向延伸,或垂直于傳播方向的物理尺寸。它通常定義在1/e2 寬度處,即光束強度達到最大值的1 /e2(≈ 13.5%)的點(diǎn)。在1/e2 點(diǎn),電場(chǎng)強度下降到最大值的 1/e(≈ 37%)。光束直徑越大,為避免光束削波而需要的光學(xué)器件和整個(gè)系統就越大,導致成本增加。然而,減小光束直徑會(huì )增加功率/能量密度,這也會(huì )帶來(lái)不利影響(見(jiàn)下一個(gè)參數)。
NO.8
功率或能量密度(常用單位:W/cm2 至MW/cm2 或µJ/cm2 至J/cm2)
光束直徑與激光束的功率/能量密度(即單位面積的光學(xué)功率/能量)有關(guān)。在光束的功率或能量恒定的情況下,光束直徑越大,功率/能量密度越小高功率/能量密度的激光通常是系統理想的最終輸出
(例如在激光切割或激光焊接應用中),但是低功率/能量密度的激光通常對系統內部有利,可防止激光產(chǎn)生的損傷。這還能防止光束的高功率/高能量密度區域電離空氣。出于以上原因,通常會(huì )使用擴束鏡來(lái)增大直徑,從而降低激光系統內部的功率/能量密度。但是必須小心,不要將光束擴展得太大,以致光束在系統的光圈中遭到剪裁,進(jìn)而導致能量浪費和可能的損傷。
NO.9
光束輪廓
激光的光束輪廓描述了光束橫截面上的分布強度。常見(jiàn)的光束輪廓包括高斯光束和平頂光束,它們的光束輪廓分別遵循高斯和平頂函數(圖 4)。但是,沒(méi)有任何激光器可以產(chǎn)生光束輪廓與特征函數完美相符的完美高斯光束或完美平頂光束,因為激光器內部始終存在一定數量的熱點(diǎn)或振蕩。激光的實(shí)際光束輪廓與理想光束輪廓之間的差異通常由多項衡量指標(包括激光的 M2 因子)來(lái)描述。
圖 4: 對平均功率或強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,高斯光束的峰值強度是平頂光束的 2 倍。
NO.10
發(fā)散度(常用單位:mrad)
雖然人們通常認為激光束是準直光,但激光束始終具有一定程度的發(fā)散,發(fā)散度描述的是光束在長(cháng)距離傳播后由于衍射而相對于光束腰的擴散程度。在工作距離很長(cháng)的應用(例如激光雷達系統,其目標與激光系統可能相距數百米)中,發(fā)散已成為特別重要的問(wèn)題。光束發(fā)散通常由激光的半角定義,高斯光束的發(fā)散 (θ) 定義為
λ 是激光波長(cháng),w0 是激光束腰。
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。
NO.11
光斑尺寸(常用單位:µm)
聚焦激光束的光斑尺寸描述的是位于聚焦透鏡系統焦點(diǎn)處的光束直徑。在材料加工和醫療手術(shù)等許多應用中,我們的目標是盡量減小光斑尺寸。這樣可以最大限度地提高功率密度,并能制作出特別精細的特征(圖 5)。非球面透鏡 通常用來(lái)代替傳統的球面透鏡,以減少球面像差并減小焦斑尺寸。某些類(lèi)型的激光系統最終不會(huì )將激光聚焦為光斑,在這種情況下,此參數不適用。
圖 5: 意大利技術(shù)研究所進(jìn)行的激光微加工實(shí)驗表明,在恒定通量下,當光斑尺寸從 220 微米減小到 9 微米時(shí),納秒激光鉆孔系統的燒蝕效率提高了十倍。
NO.12
工作距離(常用單位:µm 到 m)
激光系統的工作距離通常是指從最終光學(xué)元件(通常是聚焦透鏡)到激光聚焦的物體或表面之間的物理距離。某些應用(如醫療激光器)通常會(huì )盡量縮短工作距離,而其他應用(如遙感)通常會(huì )盡量擴大工作距離范圍。
參考:
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.
來(lái)源:愛(ài)特蒙特光學(xué) |