[激光原理与应用-59]：激光器 - 光学 - 脉冲激光器的参数解析（能量脉冲周期功率）

Posted 2022-12-19 文火冰糖的硅基工坊

目录

第1章 光波的基本参数

1.1 光速

1.2 波长与频率

1.3 频率

1.4 电磁波光谱

1.5 光波的能量

第2章 脉冲激光器的参数

2.1 脉冲

2.2 脉冲宽度：单个脉冲作用时间。

2.3 脉冲周期/重复频率

2.4 单脉冲能量

它山之石：

1、激光重复频率：

2、峰值功率（Peakpower）：

4、脉冲能量（Pulseenergy）：

5、平均功率（Averagepower）：

6、峰值功率密度（Peakpowerdensity）：

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第1章 光波的基本参数

1.1 光速

光速是指光波或电磁波在真空或介质中的传播速度。

真空中的光速是所发现的自然界物体运动的最大速度。它与观测者相对于光源的运动速度无关，即相对于光源静止和运动的惯性系中测到的光速是相同的。物体的质量还跟它运动的速度有关，物体的质量将随着速度的增大而增大，当物体的速度接近光速时，它的质量将趋于无穷大，所以有质量的物体达到光速是不可能的。

1.2 波长与频率

波长：传播一个完成电磁波波形的最小时间。

1.3 频率

频率（frequency），数学术语，是指每个对象出现的次数与总次数的比值，比值m/n称为事件发生的频率。

光的频率，就是单位时间内，传播完整的电磁波的个数。

频率越高，波长越短，那么单位时间内包含的完整的电磁波波形的个数越多。

1.4 电磁波光谱

1.5 光波的能量

• 这里说的能量不是功率；
• 能量指的是电磁波中所有光子的能量，E=hv，h为普朗克常数，v为频率。因此频率越高能量越高，X射线、阿尔法射线、贝塔射线、伽玛射线因为频率极高光子能量很高对人体破坏性很大；因为频率高，因此周期短，从而单位时间内包含的光子的数量多。
• 功率指的是单位电磁波的总能量，可以认为是电磁波中所有的光子能量的总和。P=n*hv，n为光子个数。虽然电磁波中每个光子的能量取决于频率，但对于总的一束电磁波来说，功率是这些光子能量的总和， 而n 取决于振幅和频率，可以恰好把频率相抵消，导致电磁波的功率都只与振幅有关。

第2章 脉冲激光器的参数

2.1 脉冲

脉冲（pulse）通常是指电子技术中经常运用的一种像脉搏似的短暂起伏的电冲击（电压或电流）。主要特性有波形、幅度、宽度和重复频率。 [1]  脉冲是相对于连续信号在整个信号周期内短时间发生的信号，大部分信号周期内没有信号。就像人的脉搏一样。

（1）单频脉冲

包含单一频率分量的电磁波脉冲。

（2）多频脉冲

包含多个频率分量的电磁波脉冲。

（3）方波脉冲

包含所有的频率分量的脉冲。 

2.2 脉冲宽度：单个脉冲作用时间。

光子数从半极大值上升到峰值所需的时间与光子数从峰值下降到半极大值处所需的时间之和。

有毫秒（ms）、微秒（us）、纳秒（ns）、皮秒（ps）、飞秒（fs）等各种量级。

量级越小，激光作用持续时间越短。

在单脉冲能量相同的情况下：脉宽越窄、峰值功率越高，脉宽越长、峰值功率越低。

上升时间：脉冲信号从最大值的10%上升至90%所需的时间。

下降时间：脉冲信号从最大值的90%下降至10%所需的时间。

2.3 脉冲周期/重复频率

发送相邻两个脉冲的时间间隔。

重复频率：在单位时间内，有规律地输出激光的脉冲数目（等同于一秒内脉冲重复出现的次数）。

在平均功率相同的情况下：重频越低、单脉冲能量越高，重频越高、单脉冲能量越低。

（1）方波脉冲

（2）正弦波脉冲

 传播一个脉冲的时间为脉冲周期。

一个脉冲持续时间内，传播了无数个完整的电磁波波形，如上图所示。

2.4 单脉冲能量

单脉冲能量：单个脉冲携带的激光能量。

一个单一的脉冲时间内，传播了多个连续的完整的电磁波波形，即携带的多个光子。

1、平均功率 = 单脉冲能量*重复频率——在一个重复周期，单位时间所输出的激光能量的平均值。

2、峰值功率 = 单脉冲能量/脉冲宽度——单个脉冲达到的最高功率。

它山之石：

1、激光重复频率：

激光分两类：一类是连续激光，一类是脉冲激光。

激光重复频率是对脉冲激光而言的，指在单位时间内，有规律地输出激光的脉冲数目（等同于一秒内脉冲重复出现的次数，单位为赫兹（hz））。

重频低在一样的输出功率下对应的脉冲能量高，适合非线性等研究，高重频则在高速采样等领域有优势。

在平均功率固定的情况下：

• 激光脉冲重复频率越大，如80M，单个脉冲包含的完整的电磁波的个数越少,   单个脉冲的能量越低。
• 激光脉冲重复频率越小，如40M，单个脉冲包含的完整的电磁波的个数越多,   单个脉冲的能量越高。

2、峰值功率（Peakpower）：

代表着单个脉冲所能达到的最高功率。单位为瓦特（W）。  

3、脉冲宽度（Pulsewidth）：

简称脉宽，是指单个脉冲的持续时间，因此，它是一个时间衡量单位，有毫秒（ms）、微秒（us）、纳秒（ns）、皮秒（ps）、飞秒（fs）等各种量级。量级越小，激光作用持续时间越短。  

4、脉冲能量（Pulseenergy）：

指的是单个脉冲（可能持续较长的时间）携带的激光能量。是峰值功率与脉冲宽度的乘积。单位为焦耳（J）。

例如当峰值功率为10千瓦，脉冲宽度为100纳秒时候，脉冲能量E=10kwX100ns=1mj。  

5、平均功率（Averagepower）：

是指一个重复周期内单位时间所输出的激光能量。

是脉冲能量与脉冲重复频率的乘积。单位为瓦特（W）。  

6、峰值功率密度（Peakpowerdensity）：

是指单位物理面积内激光功率，由激光功率和激光起作用的面积共同决定的一项指标。

单位为瓦特/平方厘米（W/CM2）。