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)語可以防止錯誤表述，通過理解這些術(shù)語，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，對于理解更高級的主題至關(guān)重要。

激光的波長描述了發(fā)射光波的空間頻率。特定使用案例的最佳波長在很大程度上取決于應(yīng)用。在材料加工過程中，不同的材料會有獨特的波長吸收特性，從而與材料產(chǎn)生不同的相互作用。同樣，大氣吸收和干擾會對遙感中的某些波長產(chǎn)生不同影響，而在醫(yī)療激光應(yīng)用中，不同膚色對某些波長的吸收也會不同。由于聚焦光斑較小，較短波長的激光器和激光光學器件在創(chuàng)建小而精確的特征時具有優(yōu)勢，產(chǎn)生的外圍加熱極少。不過，與波長更長的激光器相比，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)時間或（即：脈沖寬度）通常定義是激光達到最高光學功率的一半 (FWHM) 時所用的時間（圖 3）。超快激光器的特點是脈沖持續(xù)時間短，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，激光光學元件表面和最終聚焦光斑的熱弛豫時間越短，從而使材料的加熱速度更快。

激光具有相干性，這意味著不同時間或位置的電場相位值之間存在固定的關(guān)系。這是因為激光是通過受激發(fā)射產(chǎn)生的，與大多數(shù)其他類型的光源不同。在整個傳播過程中，相干性會逐漸減弱，而激光的相干長度定義了其時間相干性保持一定質(zhì)量的距離。

偏振定義了光波電場的方向，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)射的電場始終指向同一個方向。非偏振光會產(chǎn)生指向許多不同方向的電場。偏振度通常用兩個正交偏振態(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，即光束強度達到最大值的1 /e2（≈ 13.5%）的點。在1/e2 點，電場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器件和整個系統(tǒng)就越大，導致成本增加。然而，減小光束直徑會增加功率/能量密度，這也會帶來不利影響（見下一個參數(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，通常會使用擴束鏡來增大直徑，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，不要將光束擴展得太大，以致光束在系統(tǒng)的光圈中遭到剪裁，進而導致能量浪費和可能的損傷。

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，因為激光器內(nèi)部始終存在一定數(shù)量的熱點或振蕩。激光的實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行比較后發(fā)現(xiàn)，高斯光束的峰值強度是平頂光束的 2 倍。

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。在工作距離很長的應(yīng)用（例如激光雷達系統(tǒng)，其目標與激光系統(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，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)研究所進行的激光微加工實驗表明，在恒定通量下，當光斑尺寸從 220 微米減小到 9 微米時，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）通常會盡量縮短工作距離，而其他應(yīng)用（如遙感）通常會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.