[激光原理与应用-89]：激光器产品性能指标参数详解

示例：大量能纳秒激光器

示例2：中等能量纳秒激光器

1、中心波长Wavelength (nm) 351nm±1nm

2、脉冲宽度 Pulse Width ~120ns @1kHz

3、重复频率 Repitition Rate 1~10KHz

4、行频 Line Frequency 50 to 60 Hz

5、单脉冲能量 Pulse Engergy (mJ) ≥20mJ @1KHz

6、平均功率 Average Power(W) ≥30W @3KHz

7、能量稳定性 Pulse to Pulse Stability (RMS) <1.2%

8、偏振比 Polarization Ratio Horizontal; 100:1

9、光斑直径 Beam Diameter (nominal) ~3mm

10、光斑圆度 Beam Circularity >85%

11、出口处光斑原度 Beam Circularity at exit >85%

12、光斑发散角 Beam Divergence 10mrad±15%

13、光束指向稳定性(光束指向性) Beam Pointing Stability <25μrad

14、光束位置准确性 Beam Position Accuracy <2.5mm and <1° from nominal

15、长期稳定性 Long Term Stability ±2%

16、空间模式Spatial Mode 14-16

示例：大量能纳秒激光器

指标名称	指标要求
中心波长Wavelength (nm)	351nm±1nm
单脉冲能量 Pulse Engergy (mJ)	≥20mJ @1KHz
平均功率 Average Power(W)	≥30W @3KHz
脉冲宽度 Pulse Width	~120ns @1kHz
重复频率 Repitition Rate	1~10KHz
能量稳定性 Pulse to Pulse Stability (RMS)	<1.2%
偏振比 Polarization Ratio	Horizontal; 100:1
光斑直径 Beam Diameter (nominal)	~3mm
光斑发散角 Beam Divergence	10mrad±15%
光斑圆度 Beam Circularity	>85%
出口处光斑原度 Beam Circularity at exit	>85%
空间模式Spatial Mode	14-16
光束指向稳定性 Beam Pointing Stability	<25μrad
光束位置准确性 Beam Position Accuracy	<2.5mm and <1° from nominal
长期稳定性 Long Term Stability	±2%
行频 Line Frequency	50 to 60 Hz

示例2：中等能量纳秒激光器

激光器可以根据多种标准进行分类，包括激光器的工作原理、波长、脉冲性质、输出功率等。

以下是一些常见的激光器分类：

工作原理：
- 固体激光器：利用固体材料（如晶体或玻璃）作为激活介质的激光器，如Nd:YAG激光器。
- 气体激光器：利用气体（如氦氖、氩、CO2等）作为激活介质的激光器，如He-Ne激光器。
- 半导体激光器：利用半导体材料（如GaAs、InGaAs等）作为激活介质的激光器，如二极管激光器。
波长：
- 可见光激光器：产生可见光波长的激光，如红光激光器、蓝光激光器等。
- 红外激光器：产生红外波长的激光，如Nd:YAG激光器、CO2激光器等。
- 紫外激光器：产生紫外波长的激光，如氦氖激光器等。
脉冲性质：
- 连续波激光器：产生连续的光束，没有明显的脉冲。
- 脉冲激光器：以脉冲形式发射光束，可以在极短的时间内释放高能量的光脉冲。
- 超短脉冲激光器：产生极短的光脉冲，常用于超快光学和材料加工领域。
输出功率：
- 低功率激光器：输出功率较低，常用于医疗、通信等应用。
- 中功率激光器：输出功率适中，常用于材料加工、激光打印等应用。
- 高功率激光器：输出功率较高，常用于激光切割、激光焊接等高能量应用。
激光脉冲宽度分类：
激光脉冲宽度是衡量脉冲激光器性能的重要参数之一，通常以时间为单位来描述。根据脉冲宽度的不同，可以将脉冲激光器分为以下几类：
- 纳秒（10^-9）激光器（Nanosecond Laser）：脉冲宽度在纳秒级别的激光器。它们的脉冲宽度通常在几纳秒到几十纳秒之间。纳秒激光器常用于材料加工、医疗治疗、激光雷达等领域。
- 皮秒（10^-12）激光器（Picosecond Laser）：脉冲宽度在皮秒级别的激光器。皮秒激光器的脉冲宽度通常在几皮秒到几十皮秒之间。皮秒激光器常用于超快光学、生物医学、材料加工等领域。
- 飞秒（10^-15）激光器（Femtosecond Laser）：脉冲宽度在飞秒级别的激光器。飞秒激光器的脉冲宽度通常在几飞秒到几十飞秒之间。飞秒激光器在超快光学、精密加工、眼科手术等领域有广泛的应用。
- 阿秒（10^-18）激光器（Attosecond Laser）：脉冲宽度在阿秒级别的极端超快激光器。阿秒激光器的脉冲宽度在阿秒数量级，通常用于研究原子和分子的超快动力学过程。

这些不同脉冲宽度的激光器在科学研究、医学、材料加工等领域都有着各自的应用，可以根据具体需求选择合适的类型。

1、中心波长Wavelength (nm) 351nm±1nm

激光的中心波长是指激光光谱中具有最高强度的波长，通常以纳米（nm）为单位表示。

不同类型的激光器具有不同的中心波长，例如：

**氦氖激光器（He-Ne激光器）**的中心波长通常为632.8纳米，处于可见光谱的红色区域。
**氩离子激光器（Ar-Ion激光器）**的中心波长通常在488至514纳米之间，包括蓝色和绿色光。
二极管激光器的中心波长取决于所使用的半导体材料，可以覆盖从红外到紫外等多个波长范围。
Nd:YAG激光器（采用钕掺杂的氧化钇铝晶体）的中心波长通常为1064纳米，在红外光谱中。
CO2激光器的中心波长为10.6微米，处于远红外区域。

这些是一些常见的激光器类型及其典型的中心波长范围，具体的波长可能会因激光器的设计、工作条件和应用而有所不同。

2、脉冲宽度 Pulse Width ~120ns @1kHz

激光器的脉冲宽度是指激光脉冲的时间长度，是描述脉冲激光器性能的重要参数之一。不同的激光器可以产生不同时间尺度的脉冲，通常用纳秒、皮秒、飞秒和阿秒等单位来描述。

纳秒激光器（Nanosecond Laser）：脉冲宽度在纳秒级别，通常在几纳秒到几十纳秒之间。这种类型的激光器常用于需要中等能量的应用，如材料加工、医疗治疗、激光雷达等。
皮秒激光器（Picosecond Laser）：脉冲宽度在皮秒级别，通常在几皮秒到几十皮秒之间。皮秒激光器可以产生更短的脉冲，适用于需要更高精度和更少热损伤的应用，如超快光学、生物医学、材料加工等。
飞秒激光器（Femtosecond Laser）：脉冲宽度在飞秒级别，通常在几飞秒到几十飞秒之间。飞秒激光器产生极短的光脉冲，可以实现超高精度的加工和研究，常用于超快光学、精密加工、眼科手术等领域。
阿秒激光器（Attosecond Laser）：脉冲宽度在阿秒级别，通常在几阿秒到几十阿秒之间。这是极端超快的激光器类型，用于研究原子和分子的超快动力学过程，例如电子在原子中的运动。

这些不同脉冲宽度的激光器在科学研究、医学、材料加工等领域都有着各自的应用。选择合适的脉冲宽度取决于具体应用需求，例如需要多大的能量、多快的响应速度、对材料的热影响等考量。

3、重复频率 Repitition Rate 1~10KHz

激光器的重复频率是指单位时间内激光器发射脉冲的次数或个数，通常以赫兹（Hz）为单位。

重复频率是衡量激光器工作速率和性能的重要参数之一，对于许多应用而言至关重要。

低重复频率激光器：重复频率较低，通常在几赫兹到几千赫兹之间。这种类型的激光器适用于需要高能量单脉冲的应用，如激光打孔、激光切割等。
中等重复频率激光器：重复频率适中，通常在几千赫兹到几十千赫兹之间。这种类型的激光器广泛应用于激光加工、激光标记等领域，能够平衡能量和速度。
高重复频率激光器：重复频率较高，通常在几十千赫兹到几百千赫兹甚至更高。这种类型的激光器适用于需要高速、高效加工的应用，如激光打印、激光医疗等。

重复频率的选择取决于具体应用需求，包括对加工速度、能量分布、材料热影响等的要求。

4、行频 Line Frequency 50 to 60 Hz

激光器的行频通常指激光器输出的脉冲重复频率，即单位时间内脉冲的发射次数。行频是激光器性能的重要指标之一，特别是在需要高频率激光脉冲的应用中，如激光雷达、激光通信等。

影响激光器行频的因素包括：

泵浦源的特性： 激光器的泵浦源是提供激发能量的关键组件，其性能直接影响激光器的行频。泵浦源的工作频率和功率会影响激光器的行频范围。
激光介质特性： 不同类型的激光介质具有不同的特性，如Nd:YAG激光器和CO2激光器的行频范围可能会有所不同。
光学腔的设计： 光学腔的设计对激光器的行频也有影响。合理设计的光学腔可以实现更高的行频。
控制系统： 激光器的控制系统可以调节激光器的工作参数，包括行频。控制系统的性能和稳定性对行频的控制至关重要。

提高激光器行频的方法包括：

优化泵浦源： 使用高效的泵浦源，并合理设计泵浦源的工作参数，可以提高激光器的行频。
优化光学腔： 合理设计光学腔的结构和参数，可以提高激光器的行频。
控制系统优化： 优化激光器的控制系统，提高其对激光器行频的控制精度和稳定性。
选择合适的激光介质： 根据应用需求选择合适的激光介质，不同的激光介质具有不同的行频范围。
温度控制： 对激光器进行恒温控制，可以减小温度变化对行频的影响，提高行频的稳定性。

通过综合考虑以上因素，并采取相应的措施，可以提高激光器的行频性能，满足不同应用场景对行频的要求。

5、单脉冲能量 Pulse Engergy (mJ) ≥20mJ @1KHz

激光器的单脉冲能量是指每个脉冲所携带的能量，通常以焦耳（J）为单位。

单脉冲能量是评估激光器输出功率和材料加工效率的重要参数之一。

低单脉冲能量激光器（几毫焦）：每个脉冲携带的能量较低，通常在微焦耳（μJ）到毫焦耳（mJ）之间。这种类型的激光器适用于对材料要求较低能量、精细加工的应用，如微加工、超快光学实验等。
中等单脉冲能量激光器（几十毫焦）：每个脉冲携带的能量适中，通常在几毫焦耳（mJ）到数十毫焦耳（mJ）之间。这种类型的激光器广泛应用于激光切割、激光打标、医学治疗等领域。
高单脉冲能量激光器（几百毫焦）：每个脉冲携带的能量较高，通常在数十毫焦耳（mJ）到数百焦耳（J）之间甚至更高。这种类型的激光器适用于需要大能量作用于材料表面的应用，如激光熔覆、激光清洗等。

选择适当的单脉冲能量取决于具体应用需求，包括对材料的加工深度、速度、精度等的要求。

6、平均功率 Average Power(W) ≥30W @3KHz

激光器的平均功率是指单位时间内激光器输出的平均光功率，通常以瓦特（W）为单位。

平均功率是评估激光器整体输出能量和工作效率的重要参数之一。

低平均功率激光器（几瓦）：输出的平均功率较低，通常在几瓦特（W）以下。这种类型的激光器适用于对能量要求不高的精细加工和科学研究，如光谱分析、激光显微加工等。
中等平均功率激光器（几十瓦）：输出的平均功率适中，通常在几瓦特（W）到几十瓦特（W）之间。这种类型的激光器广泛应用于激光切割、激光打标、医学治疗等需要中等能量的领域。
高平均功率激光器（几百瓦）：输出的平均功率较高，通常在几十瓦特（W）以上甚至达到千瓦特（kW）级别。这种类型的激光器适用于需要大能量作用于材料的快速加工和工业生产，如激光焊接、激光切割等。

选择适当的平均功率取决于具体应用需求，包括对加工速度、材料的加工深度、对工件的热影响等方面的考量。

7、能量稳定性 Pulse to Pulse Stability (RMS) <1.2%

激光器的能量稳定性是指其输出能量在时间和空间上的波动程度。

对于许多应用而言，特别是需要高精度加工或者保持一致性的领域，如医学治疗或精密加工，能量稳定性是非常重要的考量因素。

时间稳定性：激光器输出能量在时间上的波动程度。较好的时间稳定性意味着激光器在连续工作时能够保持稳定的输出能量，而不会出现剧烈波动。这对于需要长时间加工的任务尤为重要，如激光切割、焊接等。
空间稳定性：激光器输出能量在空间上的均匀性和一致性。好的空间稳定性意味着激光束的能量分布在工件表面上是均匀的，没有明显的热点或弱点。这对于需要均匀加工的任务，如表面涂层、光刻等领域尤为关键。

对于需要高度稳定性的应用，选择具有良好能量稳定性的激光器是至关重要的。

8、偏振比 Polarization Ratio Horizontal; 100:1

激光的偏振比是一个描述激光束偏振状态的重要参数，它指的是激光光束中某一特定偏振方向上的电场强度与垂直于该方向上的电场强度的比值。在实际应用中，激光的高偏振比通常是需要的，因为它有助于提高激光系统的性能和精确性。

激光的偏振比描述了激光束中特定偏振方向上的电场强度与垂直于该方向上的电场强度之间的比值。换句话说，它指的是激光中沿某一特定方向振荡的电场分量与垂直于该方向振荡的电场分量之间的关系。

举例来说，如果一个激光束在水平方向上偏振，那么激光的偏振比就表示水平方向上电场强度与垂直于水平方向的电场强度之比。如果偏振比为1，表示电场在水平和垂直方向上的强度相等，即非偏振状态；而如果偏振比大于1，表示电场在水平方向上的强度大于垂直方向上的强度，即偏振状态。

因此，激光的偏振比是描述其偏振性质的重要参数，对于许多光学应用中的设计和操作都具有关键意义。

激光偏振比的重要性

光学系统匹配：某些光学元件，如偏振片、波片等，对偏振光的响应与非偏振光不同。激光束的高偏振比可以确保这些光学元件效能最大化。
增强过程效率：在激光加工中，如切割、打孔或焊接，特定偏振状态的激光可以提高处理效率和质量。例如，线性偏振激光可以在与偏振方向相互作用的金属表面上产生更干净、更精确的切割效果。
测量和分析：在光谱学和光学成像等领域，偏振激光被用来探测和分析样品的光学性质。高偏振比的激光可以提供更为精确的数据。

测量激光偏振比

激光偏振比的测量通常涉及使用偏振片和光强计。通过旋转偏振片，并测量不同角度下的光强，可以计算出激光偏振比。理想情况下，完全偏振的光束会有一个非常高的偏振比，接近无限大，而完全非偏振的光束的偏振比则为1。

在选择或设计激光系统时，了解激光的偏振比以及如何控制它是至关重要的，这有助于优化系统的整体性能和适用性。

9、光斑直径 Beam Diameter (nominal) ~3mm

光斑直径通常指的是激光束在某个特定距离上的横截面直径，也可以理解为激光束在目标表面上形成的圆形或椭圆形斑点的直径。光斑直径的大小取决于多种因素，包括激光束的发散角度、聚焦系统的焦距和质量、以及目标表面与激光束的距离等。

在激光应用中，光斑直径的大小对于加工精度和效率至关重要。通常情况下，较小的光斑直径意味着更高的空间分辨率和加工精度，但可能需要更复杂的光学系统来实现。相反，较大的光斑直径可能会降低空间分辨率，但在某些情况下可能更适合于快速加工。

因此，在设计激光加工系统或进行激光加工任务时，光斑直径是一个需要仔细考虑和控制的重要参数。

10、光斑圆度 Beam Circularity >85%

光斑圆度是指激光束横截面的形状与完美圆形之间的相似程度。用来衡量光斑在某个平面上的对称性和均匀性。圆度通常被表示为一个比率或百分比，数值越接近1或100%，表示光斑越接近理想的圆形。

光斑圆度的计算方法之一是利用光斑的最小直径和最大直径的比值：

如果光斑的横截面是一个理想的圆形，那么最小直径和最大直径相等，此时圆度为1。
如果横截面是椭圆形，那么最小直径和最大直径会有所不同，导致圆度小于1。

在激光加工和光学系统设计中，光斑圆度是一个重要的指标。圆度高的光斑通常意味着激光束在传输过程中受到的失真较小，从而确保更好的聚焦和更精确的加工。同时，高圆度的光斑也可以减小光学系统中的不均匀性，有助于提高光学性能。

因此，在很多应用场景中，追求高圆度的激光光斑可以带来更稳定的系统性能和更高质量的结果。

11、出口处光斑原度 Beam Circularity at exit >85%

"出口处光斑圆度"这个术语不是特别常见，但我可以理解你可能指的是激光器或光学系统中输出光束的光斑圆度。如果是这样的话，那么这个概念描述的就是从光学系统或激光器中出射的光束的光斑形状的圆度。

在光学系统中，特别是激光系统中，出口处光斑的圆度至关重要。它指的是光束在离开光学系统或激光器后形成的光斑在横截面上的形状与理想圆形之间的相似程度。这个圆度的高低会影响到光束的聚焦质量、传输效率以及后续的光学加工过程。

因此，为了确保系统性能和加工质量，出口处光斑的圆度通常被作为一个重要的性能指标进行监测和控制。高圆度的光斑通常意味着更均匀的能量分布和更精确的聚焦，有助于提高加工质量和效率。

12、光斑发散角 Beam Divergence 10mrad±15%

mrad是激光束发散角或聚焦角的常用单位，代表"毫弧度"。“mrad"是"milliradian"的缩写，其中"m"表示"milli-”，即千分之一。一弧度是一个圆心角的单位，等于半径长的弧长所对应的角度，而毫弧度则是一弧度的千分之一。

在激光技术中，mrad常用来描述激光束的发散角或聚焦角，即激光束从发射源或光学系统中传播时的扩散或聚焦程度。通常情况下，较小的mrad值表示激光束更为集中或聚焦，而较大的mrad值则表示激光束更为扩散。

因此，mrad是一个用来描述激光束角度范围的重要单位，在激光系统设计和调整中起着关键作用。

光斑发散角是指激光束从光源或光学系统输出后，在传播过程中光斑直径逐渐增大的角度。这一参数是用来描述激光束的发散性质的，常用单位是mrad（毫弧度）或度。

发散角的大小影响着激光束的聚焦能力和在特定距离上的光斑大小，对于许多应用来说是一个关键的性能指标。发射角越大，相同的距离，光斑的大小越大。

计算发散角

激光束的发散角可以通过以下公式计算：

[ \theta = \frac{D}{L} ]

其中：

( \theta ) 是发散角（通常以mrad或度为单位）。
( D ) 是在距离 ( L ) 处的光斑直径。
( L ) 是从光源到测量点的距离。

发散角的影响

射程和聚焦： 发散角越小，激光束的射程越远，聚焦效果越好。小发散角意味着激光束可以在较远的距离上保持较小的光斑，这对于精确打标、切割等应用非常重要。
能量密度： 发散角较小的激光束，在较远的距离上仍能维持较高的能量密度，这对于一些需要高能量密度的应用（如激光武器、远距离传输等）至关重要。

应用实例

在实际应用中，例如在激光通信、遥感探测或医疗治疗中，通常需要优化激光光束的发散角以满足具体的性能需求。通过选择合适的光学元件（如透镜、反射镜等）和调整光束参数，可以有效控制激光束的发散角，以达到最佳的工作效果。

13、光束指向稳定性(光束指向性) Beam Pointing Stability <25μrad

光束指向稳定性是指激光束在传播过程中保持其方向性的能力。

在许多应用中，特别是需要高精度定位或精确照射的情况下，光束的指向稳定性至关重要。

影响光束指向稳定性的因素包括：

机械振动和冲击： 如果激光器或光学系统受到外部机械振动或冲击，可能会导致光束方向发生变化，影响光束指向稳定性。
温度变化： 温度的变化可能导致光学元件的形变或折射率的变化，进而影响光束的传播方向。
气流扰动： 在大气环境中传播时，气流扰动可能会使光束发生偏转或波动，影响其指向稳定性。
光学元件的松动或变形： 如果光学元件固定不稳或存在变形，可能会导致光束的方向发生变化。

提高光束指向稳定性的方法包括：

机械稳定性设计： 设计稳固的机械结构以减少外部振动和冲击对系统的影响。
温度控制： 对激光器和光学系统进行恒温控制，以减小温度变化对光束方向的影响。
气流控制： 在需要稳定光束传播的环境中采取气流控制措施，减少气流扰动对光束的影响。
精确的光学元件固定： 确保光学元件固定稳定，避免松动或变形。
反馈控制系统： 使用反馈控制系统监测光束的方向，并根据需要对光学系统进行微调以保持光束的稳定指向。

通过综合考虑以上因素，并采取相应的措施，可以提高光束的指向稳定性，确保激光系统在各种环境条件下都能够可靠地工作。

14、光束位置准确性 Beam Position Accuracy <2.5mm and <1° from nominal

光束位置准确性是指激光束在空间中的位置与预期位置之间的偏差程度。

在许多应用中，特别是需要进行精确定位或精确加工的情况下，光束位置的准确性至关重要。

影响光束位置准确性的因素包括：

光学系统的校准： 光学系统的准确校准对于确保光束位置的准确性至关重要。这包括调整透镜、反射镜、光学棱镜等元件的位置和角度，以确保光束沿着预期的路径传播。
机械稳定性： 光学系统的机械稳定性直接影响光束位置的准确性。如果光学元件或支架存在松动或振动，会导致光束位置发生变化。
光学元件的制造精度： 光学元件的制造精度对于确保光束位置准确性也是至关重要的因素。制造过程中的偏差或不均匀性可能会导致光束位置偏离预期值。
环境因素： 温度变化、气流扰动等环境因素也会影响光束位置的准确性。温度变化可能导致光学元件的形变或折射率的变化，气流扰动可能使光束发生偏转。

提高光束位置准确性的方法包括：

精确的光学系统设计和校准： 使用高精度的光学元件，并进行准确的校准以确保光束沿着预期路径传播。
稳定的机械结构： 设计稳固的机械结构以减少外部振动和冲击对系统的影响。
环境控制： 对激光器和光学系统进行温度控制，并在需要时采取气流控制措施，减少环境因素对光束位置的影响。
实时监测和反馈： 使用实时监测系统对光束位置进行监测，并根据需要进行反馈调整，以保持光束位置的准确性。

通过综合考虑以上因素，并采取相应的措施，可以提高光束位置的准确性，确保激光系统在各种应用场景下都能够实现精确的定位和加工。

15、长期稳定性 Long Term Stability ±2%

激光器的长期稳定性是指激光器在长时间运行过程中保持其性能和输出的稳定程度。对于很多应用来说，尤其是需要持续稳定输出的场合，如激光医疗、精密加工等，长期稳定性是非常重要的考量因素。

影响激光器长期稳定性的因素包括：

光学元件的老化： 激光器中的光学元件可能会随着时间的推移而老化，如激光介质的光学特性变化、光学镜面的污染或损伤等，这会导致激光器性能的逐渐下降。
电子元件的老化： 激光器中的电子元件，如泵浦源、电路板等，也会随着时间的使用而逐渐老化，可能导致激光器的稳定性受到影响。
环境因素： 温度变化、湿度变化等环境因素都可能影响激光器的长期稳定性，例如温度变化可能引起光学元件的热膨胀、泵浦源的工作效率变化等。
使用条件： 激光器的使用条件，如工作功率、频率、脉冲宽度等，都会对其长期稳定性产生影响。长时间高功率工作可能导致激光器组件的热应力增加，从而影响稳定性。

提高激光器长期稳定性的方法包括：