激光光学资源指南：一文读懂激光系统的12个核心参数

导语

在材料加工、激光手术或是遥感探测等前沿领域，激光系统的应用千变万化。但无论应用场景如何改变，决定系统成败的往往是那几个核心的物理参数。

很多时候，项目中的沟通误解、组件选型错误，甚至系统损伤，都源于对这些基础术语的理解偏差。

今天，我们基于《激光光学资源指南》，为您梳理了激光系统的12个关键参数。建立通用的术语体系，不仅能防止表述错误，更能帮助您精准匹配应用需求。

全是干货，建议先收藏再阅读！

01. 基础参数：激光的“身份ID"

要理解高级主题，首先要掌握描述激光特性的最基本概念。

1. 波长(常用单位: nm 到 µm)

波长决定了激光与材料的“互动方式"。

• 材料加工： 不同材料对不同波长的吸收率天差地别。

• 精度控制： 短波长（如UV）聚焦光斑更小，热影响区极小，适合精密加工；但成本较高且易损。

• 环境影响： 在遥感或医疗应用中，还需考虑大气干扰或皮肤组织的吸收特性。

2. 功率和能量(常用单位: W 或 J)

这是衡量激光“劲儿"有多大的指标。

• 连续波 (CW) 激光器： 看光功率输出（瓦特 W）。

• 脉冲激光器： 看平均功率和脉冲能量（焦耳 J）。

划重点： 脉冲能量与平均功率成正比，与重复率成反比。

图 1：脉冲激光器的脉冲能量、重复率和平均功率之间关系的直观表示法

3. 脉冲持续时间 (常用单位: fs 至 ms)

即脉宽。通常定义为激光达到至高光学功率一半 (FWHM) 所用的时间。

• 超快激光： 皮秒 (10⁻¹²s) 甚至阿秒 (10⁻¹⁸ s) 级别，加工精度较高。

图 2：脉冲激光器的脉冲时间间隔为重复率的倒数

4. 重复率 (常用单位: Hz 到 MHz)

每秒发射多少个脉冲。

• 热效应： 重复率越高，材料受热越快，因为热弛豫时间变短了。

• 权衡： 记住，重复率越高，单脉冲能量通常会越低（在平均功率不变的情况下）。

5. 相干长度 (常用单位: mm 到 cm)

激光区别于普通光源的核心在于“相干性"。相干长度定义了激光在传播过程中，保持相位关系质量的距离。这对于全息成像等应用至关重要。

6. 偏振

电场的方向。大多数激光是线偏振的。偏振度（如 100:1）越高，代表光束的偏振纯度越好。这在涉及偏振光学元件（如隔离器、波片）的系统中非常关键。

02. 光束参数：光长什么样？

光束的形状和质量，直接决定了光怎么传输、怎么聚焦。

1. 光束直径 (常用单位: mm 到 cm)

通常定义在1/e²宽度处（强度降至至高值13.5%的点）。

• 系统成本： 光束越粗，需要的光学元件尺寸就越大，成本越高。

• 主要矛盾： 减小直径虽然省钱，但会显著增加功率密度，可能导致元件损伤。

2. 功率/能量密度 (常用单位: W/cm²或 J/cm²)

单位面积上的能量。

• 系统内部： 我们希望密度低一点，防止烧坏镜片或电离空气（这也是为什么常用扩束镜来增大光束直径）。

• 系统输出： 在切割或焊接端，我们希望密度高一点，以确保加工效率。

3. 光束轮廓

光束横截面的强度分布。

• 高斯光束： 能量集中在中心，峰值强度高。

• 平顶光束： 能量分布均匀，适合表面处理。

• 现实情况： 没有精良的理想光束，通常用 因子来衡量实际光束与理想高斯光束的差异。

图 3：对平均功率或强度相同的高斯光束和平顶光束的光束轮廓进行比较后发现，高斯光束的峰值强度是平顶光束的 2 倍。

4. 发散度 (常用单位: mrad)

激光不是必然平行的，它总会发散。

• 长距离应用： 如激光雷达（LiDAR），发散度是核心指标。

• 控制方法： 增大光束腰直径，可以有效降低发散度（扩束镜的又一妙用）。

03. 系统输出参数：最终效果

这些参数描述了激光经过光学系统后，打在目标上的状态。

1. 光斑尺寸 (常用单位: µm)

聚焦透镜焦点处的光束直径。

• 目标： 在微加工和手术中，我们追求极小的光斑，以获得至高的功率密度和精细的特征。

• 技巧： 使用非球面透镜代替球面透镜，可以减少球差，获得更小的焦斑。

图 4：技术研究所进行的激光微加工实验表明，在恒定通量下，当光斑尺寸从 220 微米减小到 9 微米时，纳秒激光钻孔系统的烧蚀效率提高了十倍1。

2. 工作距离 (常用单位: µm 到 m)

从最后壹个光学元件到焦点的物理距离。

• 医疗应用： 通常很短。

• 遥感/雷达： 范围极广。

总结

从光源的产生（波长、脉冲），到光束的传输（直径、发散度），再到最终的聚焦（光斑、工作距离），这12个参数构成了激光系统的“骨架"。

无论是设计新的光学系统，还是采购现成的激光组件，准确定义这些参数是避免昂贵错误的第壹步。

图5: 常见激光材料加工系统示意图，其中激光系统的 10 个关键参数分别用相应的数字表示

想了解更多关于激光损伤阈值（LIDT）或高斯光束传播的深层知识？

联系客服，获取完整的《激光光学资源指南》及更多技术书。