激光器的基本參數(shù)和基礎(chǔ)知識

時間：2020-03-25作者：深圳維爾克斯光電有限公司瀏覽：164

現(xiàn)如今，許多領(lǐng)域中離不開激光器的應(yīng)用，尤其是生產(chǎn)、科研、醫(yī)療等這些領(lǐng)域。在不同的應(yīng)用中所使用的激光器是不同的，所以我們需要了解激光器的參數(shù)，它直接決定了使用者對激光光源的選擇。本文章整理了常規(guī)激光器的一些參數(shù)定義并做簡單說明，希望能幫助大家能夠找到合適的激光產(chǎn)品。


一、輸出功率（激光功率）
激光器發(fā)出的光是以光能的形成出現(xiàn)，與電能一樣，光能也是一種能源。與發(fā)電機的輸出功率類似，激光器的輸出功率也是一個度量單位時間內(nèi)輸出激光能量的物理量，常見的單位毫瓦（mW）、瓦（W）、千瓦（kW）。


二、功率穩(wěn)定性
功率穩(wěn)定性表征的是激光輸出功率在一定時間內(nèi)的不穩(wěn)定度，一般分為RMS穩(wěn)定性和峰峰值穩(wěn)定性。
RMS穩(wěn)定性：測試時間內(nèi)所有采樣功率值的均方根與功率平均值的比值，描述輸出功率偏離功率平均值的分散程度。
峰峰值穩(wěn)定性：輸出功率的較大值和較小值之差與功率平均值的百分比，表示的是一定時間內(nèi)的輸出功率的變化范圍。


三、光束質(zhì)量因子（M2因子）；光束參數(shù)積（BPP）
光束質(zhì)量因子定義是激光束腰半徑和光束遠場發(fā)散角的乘積與理想基模光束束腰半徑和基模發(fā)散角乘積的比值，即M2=θw/θ理想w理想。光束質(zhì)量會影響到激光的聚焦效果以及遠場的光斑分布情況，是用來表征激光光束質(zhì)量的參數(shù)，實際激光光束質(zhì)量因子越接近1，說明光束質(zhì)量越接近理想光束，它的光束質(zhì)量就越好。光束整形器一般要求高質(zhì)量的激光，M2需要小于1.5。
光束參數(shù)積（BPP）的定義是激光束的遠場發(fā)散角與光束較窄點半徑的乘積，即BPP=θw，它可以量化激光束的質(zhì)量以及將激光束聚焦到小點的程度。光束參數(shù)積即BPP值越低，光束的質(zhì)量就越好。BPP值與M2值的關(guān)系是：M2值是BPP值的歸一化值，針對具有特定波長的衍射極限光束進行歸一化，即M2=BPP/BPP0，其中BPP0是特定波長的衍射極限光束的值，且BPP0=λ/π。


四、光斑（橫模）
橫模的定義是垂直于激光傳播方向上某一橫截面上的穩(wěn)定場的分布，激光器的光斑表征就是橫模分布，通過光斑分析儀或激光輪廓分析儀可以將橫模分布模擬出來，得到激光器的一些光束特征。常見的橫模模式有基橫模（TEM ），TEM ，TEM 等，還有圖1所示的其他模式，其中TEM 模指的是在x方向的截面上有一點光強為0，TEM 模指的是在x和y方向截面均有一點光強為0。
 
五、激光光束直徑
測量激光光束直徑的方法有套孔法、激光光束分析儀（CCD）測量、刀口法等。
套孔法：一般不使用這種方法，因為在實驗上比較難做到孔與光束同心，實驗結(jié)果精準(zhǔn)度不能保證。
激光輪廓分析儀（CCD）測試：測試結(jié)果的精準(zhǔn)度可以保證，激光光束直徑有四種計算方法的結(jié)果在軟件界面中呈現(xiàn)（如圖2所示），較常用的是以峰值的13.5%（1/e2）為邊界的定義方法。但是這種方法也有一定的缺陷，對于高功率的激光器，CCD存在飽和現(xiàn)象，如用衰減器，可能會引起光束畸形。
 

刀口法：對于測量高功率激光器的激光光束直徑是一種比較理想的方法。取待測激光透過刀口邊緣光功率占總功率10%的刀口位置坐標(biāo)為x ，取待測激光透過刀口邊緣光功率占總功率90%的刀口位置坐標(biāo)為x ，可以測得激光光束直徑=1.561×|x -x |（其中1.561是擬合值）。
之所以我們用直尺或人眼測量可見光的激光光束直徑，要比使用專業(yè)的激光輪廓分析儀測得的激光光束直徑大，是因為激光能量強且集中，激光作用到物體上會有一定的發(fā)散，而使用激光輪廓分析儀來測量，常用峰值強度的（13.5%）處的激光光束直徑作為測量結(jié)果，因此得到的結(jié)果會相對小。


六、激光調(diào)制
激光調(diào)制是利用光作為載體，把信號加載到光上，按照應(yīng)用要求，實現(xiàn)信號的傳遞。一般調(diào)制分為外調(diào)制和內(nèi)調(diào)制，外調(diào)制指的是激光器外部進行的機械調(diào)制或者聲光調(diào)制，內(nèi)調(diào)制是指電源驅(qū)動調(diào)制，內(nèi)調(diào)制又分為TTL調(diào)制和模擬調(diào)制。
TTL調(diào)制：通過外給激光器輸入一定頻率的高低電平（0V或者5V）直流信號時，低電平閉光，高電平時滿功率輸出，高電平幅值不可調(diào)。
模擬調(diào)制：可以自由地調(diào)整輸入信號的波形與幅值大小，激光輸出功率隨輸入模擬電壓信號線性改變。


七、衍射極限
一個物點經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)在理想情況下得到一個理想像點，但是實際上不可能形成，由于衍射的限制，這個物點得到的是一個夫瑯禾費衍射像，在一定的波長下將激光束聚焦到小點的潛力盡可能高，即激光束質(zhì)量理想，這就是衍射極限。常用的通光孔徑是圓形，所以形成的夫瑯禾費衍射像就是艾里斑，這種情況下每個物點形成的像就是一個彌散斑，當(dāng)兩個斑靠近后就很難辨別，因此限制光學(xué)系統(tǒng)的分辨率，且斑越大分辨率越低，這就是光的衍射造成的物理光學(xué)的限制。
對于激光光束，衍射極限光斑直徑的公式：d=4LλM2/πD，其中L為工作距離，λ為激光光束波長，M2為激光光束質(zhì)量因子，D為激光光束直徑。



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