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激光器的基本参数和基础知识

作者: 时间:2020-03-17


世界上第一台激光器出现于1960年,如今在许多领域中离不开激光器的应用,特别是生产、科研、医疗等这些领域。在不同的应用中所使用的激光器是不同的,所以我们需要了解激光器的参数,它直接决定了使用者对激光光源的选择。本文章整理了常规激光器的一些参数定义并做简单说明,希望能帮助大家能够找到合适的激光产品。


一、输出功率(激光功率)

激光器发出的光是以光能的形成出现,与电能一样,光能也是一种能源。与发电机的输出功率类似,激光器的输出功率也是一个度量单位时间内输出激光能量的物理量,常见的单位毫瓦(mW)、瓦(W)、千瓦(kW)。

二、功率稳定性

功率稳定性表征的是激光输出功率在一定时间内的不稳定度,一般分为RMS稳定性和峰峰值稳定性。

RMS稳定性:测试时间内所有采样功率值的均方根与功率平均值的比值,描述输出功率偏离功率平均值的分散程度。

峰峰值稳定性:输出功率的最大值和最小值之差与功率平均值的百分比,表示的是一定时间内的输出功率的变化范围。


三、光束质量因子(M²因子);光束参数积(BPP

光束质量因子定义是激光束腰半径和光束远场发散角的乘积与理想基模光束束腰半径和基模发散角乘积的比值,即M2=θw/θ理想w理想。光束质量会影响到激光的聚焦效果以及远场的光斑分布情况,是用来表征激光光束质量的参数,实际激光光束质量因子越接近1,说明光束质量越接近理想光束,它的光束质量就越好。光束整形器一般要求高质量的激光,M2需要小于1.5

光束参数积(BPP)的定义是激光束的远场发散角与光束最窄点半径的乘积,即BPP=θw,它可以量化激光束的质量以及将激光束聚焦到小点的程度。光束参数积即BPP值越低,光束的质量就越好。BPP值与M²值的关系是:M²值是BPP值的归一化值,针对具有特定波长的衍射极限光束进行归一化,即M²=BPP/BPP0,其中BPP0是特定波长的衍射极限光束的值,且BPP0=λ/π。


四、光斑(横模)

横模的定义是垂直于激光传播方向上某一横截面上的稳定场的分布,激光器的光斑表征就是横模分布,通过光斑分析仪或激光轮廓分析仪可以将横模分布模拟出来,得到激光器的一些光束特征。常见的横模模式有基横模(TEM),TEMTEM等,还有图1所示的其他模式,其中TEM模指的是在x方向的截面上有一点光强为0TEM模指的是在xy方向截面均有一点光强为0

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五、激光光束直径

测量激光光束直径的方法有套孔法、激光光束分析仪(CCD)测量、刀口法等。

套孔法:一般不使用这种方法,因为在实验上比较难做到孔与光束同心,实验结果精准度不能保证。

激光轮廓分析仪(CCD)测试:测试结果的精准度可以保证,激光光束直径有四种计算方法的结果在软件界面中呈现(如图2所示),最常用的是以峰值的13.5%1/e²)为边界的定义方法。但是这种方法也有一定的缺陷,对于高功率的激光器,CCD存在饱和现象,如用衰减器,可能会引起光束畸形。

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刀口法:对于测量高功率激光器的激光光束直径是一种比较理想的方法。取待测激光透过刀口边缘光功率占总功率10%的刀口位置坐标为x,取待测激光透过刀口边缘光功率占总功率90%的刀口位置坐标为x,可以测得激光光束直径=1.561×|x-x|(其中1.561是拟合值)。

之所以我们用直尺或人眼测量可见光的激光光束直径,要比使用专业的激光轮廓分析仪测得的激光光束直径大,是因为激光能量强且集中,激光作用到物体上会有一定的发散,而使用激光轮廓分析仪来测量,常用峰值强度的(13.5%)处的激光光束直径作为测量结果,因此得到的结果会相对小。


六、衍射极限

一个物点经过光学系统在理想情况下得到一个理想像点,但是实际上不可能形成,由于衍射的限制,这个物点得到的是一个夫琅禾费衍射像,在一定的波长下将激光束聚焦到小点的潜力尽可能高,即激光束质量理想,这就是衍射极限。常用的通光孔径是圆形,所以形成的夫琅禾费衍射像就是艾里斑,这种情况下每个物点形成的像就是一个弥散斑,当两个斑靠近后就很难辨别,因此限制光学系统的分辨率,且斑越大分辨率越低,这就是光的衍射造成的物理光学的限制。

对于激光光束,衍射极限光斑直径的公式:d=4LλM²/πD,其中L为工作距离,λ为激光光束波长,M²为激光光束质量因子,D为激光光束直径。


七、激光调制

激光调制是利用光作为载体,把信号加载到光上,按照应用要求,实现信号的传递。一般调制分为外调制和内调制,外调制指的是激光器外部进行的机械调制或者声光调制,内调制是指电源驱动调制,内调制又分为TTL调制和模拟调制。

TTL调制:通过外给激光器输入一定频率的高低电平(0V或者5V)直流信号时,低电平闭光,高电平时满功率输出,高电平幅值不可调。

模拟调制:可以自由地调整输入信号的波形与幅值大小,激光输出功率随输入模拟电压信号线性改变。


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