在諸如材料加工、激光手術(shù)和遙感等多種應(yīng)用中，存在多種多樣的常見激光系統(tǒng)，但許多激光系統(tǒng)都有共同的關(guān)鍵參數(shù)。為這些參數(shù)制訂通用的術(shù)語(yǔ)可以防止錯(cuò)誤表述，通過理解這些術(shù)語(yǔ)，可以正確地指定激光系統(tǒng)和組件，以滿足您的應(yīng)用需求。

圖 1: 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

以下基本參數(shù)是激光系統(tǒng)的最基本概念，對(duì)于理解更高級(jí)的主題至關(guān)重要。

激光的波長(zhǎng)描述了發(fā)射光波的空間頻率。特定使用案例的最佳波長(zhǎng)在很大程度上取決于應(yīng)用。在材料加工過程中，不同的材料會(huì)有獨(dú)特的波長(zhǎng)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(duì)遙感中的某些波長(zhǎng)產(chǎn)生不同影響，而在醫(yī)療激光應(yīng)用中，不同膚色對(duì)某些波長(zhǎng)的吸收也會(huì)不同。由于聚焦光斑較小，較短波長(zhǎng)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(shì)，產(chǎn)生的外圍加熱極少。不過，與波長(zhǎng)更長(zhǎng)的激光器相比，它們通常更昂貴，也更容易損壞。

激光功率的測(cè)量單位是瓦（W），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。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(fù)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(fù)率脈沖能量=平均功率重復(fù)率

圖 2: 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

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。隨著功率和能量的增加，保持高光束質(zhì)量也變得越來越困難。

激光脈沖持續(xù)時(shí)間或（即：脈沖寬度）通常定義是激光達(dá)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(xù)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(fù)率的倒數(shù)

脈沖激光器的重復(fù)率（即脈沖重復(fù)頻率）描述了每秒發(fā)射的脈沖數(shù)量，即時(shí)序脈沖間距的倒數(shù)（圖 3）。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，重復(fù)率是可以變化的。重復(fù)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。

激光具有相干性，這意味著不同時(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?yàn)榧す馐峭ㄟ^受激發(fā)射產(chǎn)生的，與大多數(shù)其他類型的光源不同。在整個(gè)傳播過程中，相干性會(huì)逐漸減弱，而激光的相干長(zhǎng)度定義了其時(shí)間相干性保持一定質(zhì)量的距離。

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(shù)情況下，激光都是線性偏振的，這意味著發(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)的光功率之比來表示，如 100:1 或 500:1。

以下參數(shù)描述了激光束的形狀和質(zhì)量。

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(qiáng)度達(dá)到最大值的1 /e2（≈ 13.5%）的點(diǎn)。在1/e2 點(diǎn)，電場(chǎng)強(qiáng)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(tǒng)就越大，導(dǎo)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)帶來不利影響（見下一個(gè)參數(shù)）。

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(tǒng)理想的最終輸出
（例如在激光切割或激光焊接應(yīng)用中），但是低功率/能量密度的激光通常對(duì)系統(tǒng)內(nèi)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(qū)域電離空氣。出于以上原因，通常會(huì)使用擴(kuò)束鏡來增大直徑，從而降低激光系統(tǒng)內(nèi)部的功率/能量密度。但是必須小心，不要將光束擴(kuò)展得太大，以致光束在系統(tǒng)的光圈中遭到剪裁，進(jìn)而導(dǎo)致能量浪費(fèi)和可能的損傷。

激光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(shù)（圖 4）。但是，沒有任何激光器可以產(chǎn)生光束輪廓與特征函數(shù)完美相符的完美高斯光束或完美平頂光束，因?yàn)榧す馄鲀?nèi)部始終存在一定數(shù)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(xiàng)衡量指標(biāo)（包括激光的 M2 因子）來描述。

圖 4: 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。

雖然人們通常認(rèn)為激光束是準(zhǔn)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(zhǎng)距離傳播后由于衍射而相對(duì)于光束腰的擴(kuò)散程度。在工作距離很長(zhǎng)的應(yīng)用（例如激光雷達(dá)系統(tǒng)，其目標(biāo)與激光系統(tǒng)可能相距數(shù)百米）中，發(fā)散已成為特別重要的問題。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(zhǎng)，w0 是激光束腰。

這些最終參數(shù)描述了激光系統(tǒng)輸出端的性能。

聚焦激光束的光斑尺寸描述的是位于聚焦透鏡系統(tǒng)焦點(diǎn)處的光束直徑。在材料加工和醫(yī)療手術(shù)等許多應(yīng)用中，我們的目標(biāo)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(xì)的特征（圖 5）。非球面透鏡 通常用來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的球面透鏡，以減少球面像差并減小焦斑尺寸。某些類型的激光系統(tǒng)最終不會(huì)將激光聚焦為光斑，在這種情況下，此參數(shù)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(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。

激光系統(tǒng)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(yīng)用（如醫(yī)療激光器）通常會(huì)盡量縮短工作距離，而其他應(yīng)用（如遙感）通常會(huì)盡量擴(kuò)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.