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激光主要性能参数(一)--波长

2023-05-24 17:16:19
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一,波长的定义

激光波长代表着激光所携带的电磁波的波长。与其他类型的光相比,激光的一个重要特征是它是单色光,也就是说它的波长是非常纯净的,并且只有一个明确的频率。这是因为激光器中所使用的放大介质和激发方式等因素可以限制光子只在一个确定的波长上振动。激光波长的具体数值与激光器结构及所使用材料等因素有关,对于不同的应用场景和需求,可以选择不同波长的激光来实现需要的功能。例如,在环境监测、通讯、医疗、材料加工等领域,针对不同的介质和反射性能,会选择不同波长的激光。

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激光不同波长的区别:

红光激光的波长一般为630nm-680nm之间,发出的光就是红色的,也是最常见的激光(主要用于医疗哺光仪领域等);

绿光激光器的波长一般在532nm左右,(主要用于激光测距领域等);

蓝色激光波长一般在400nm-500nm之间(主要用于激光手术和雕刻领域等);

紫外激光在350nm-400nm之间(主要用于生物医学和材料加工领域等);

红外激光是最特殊的,按照波长范围和应用领域的不同,红外激光波长一般位于700nm-1mm之间的范围内。可以将红外波段进一步分为近红外(NIR)、中红外(MIR)和远红外(FIR)三个子波段。近红外波长范围大约在750nm-1400nm之间,应用广泛,例如光纤通信、生物医学成像和红外夜视设备等。中红外波长范围大约在1,400 nm-10,000nm之间,常用于检测分析、光谱学和热成像等领域。远红外波长范围大约在10,000nm至1mm之间,应用于远程控制、遥感和半导体制造等领域。

需要注意的是,激光器发出的光具有单一的波长,这就意味着在光学上,激光是一种高度聚焦的光束,其能量密度比其他波长的光束要高得多。由于激光能够聚焦到很小的点上,其在许多领域都具有广泛的应用,例如激光制造、医疗和通信等。因此,研究和控制激光波长是激光技术和应用的核心内容之一。

二、波长的分类

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激光波长分为中心波长和峰值波长,两者在定义和属性上有较大区别。

中心波长指激光输出的波长分布的中心位置,也称为平均波长或中心频率。它是指激光波长分布的中心位置,可以通过激光输出的传感器或者光谱仪进行测量。测出了λ2为最大相对光谱强度50%处对应的最长波长再减去测出了λ1为最大相对光谱强度50%处对应的最短波长的值除以2就是中心波长。

在光谱分析中,中心波长是描述激光波长特征的指标之一。对于具有单一波长的激光,其中心波长等于激光的峰值波长。但是,对于具有波长分布的激光而言,激光的中心波长就是波长分布曲线的重心位置。中心波长通常用纳米(nm)或皮秒(ps)等单位来表示。激光的中心波长是衡量激光输出波长性质的重要参量之一,在很多领域中都有重要的应用价值。例如,光通信中,不同波长的激光被用于实现多波长分立多路复用(WDM)技术,而中心波长是衡量不同波长激光特性的一个重要参量。在激光医疗、激光加工等领域中,激光的中心波长对于确定激光的特性和作用方式也有很重要的作用。

峰值波长是指输出波长分布曲线中具有最大输出功率的波长位置,也称为最大功率波长。在光谱分析中,峰值波长是激光波长的一个重要参数。测试峰值波长需要使用单色仪、光谱仪或波长计进行测试,找出激光峰值波长,然后需要进行十次或十次以上进行计算总值再乘以激光束主谱线峰值波长再除以测量的次数就是峰值波长。对于单色激光,峰值波长就是激光的波长。然而,在波长分布较广的激光中,峰值波长可能处于波长分布曲线的较宽部分,因此它并不能完全代表激光的波长性质。对于这种波长分布较宽的激光,其波长性质需要用波长分布曲线的其它参数来描述,如中心波长、半高全宽等。

在很多应用领域中,激光的峰值波长对于确定在哪个波长下进行激光处理的非常重要。举例来说,在激光切割中,不同材料需要使用不同波长的激光进行切割,这就需要根据材料的特性和激光的特性确定合适的激光峰值波长。

三、波长相关的重要性能表征参数

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激光的带宽、线宽、边模抑制比和谱宽是属于激光器的性能参数。这些参数用于描述激光器输出光的频率或波长分布范围,是评估激光器性能和应用性能的重要指标。

其中,带宽和线宽用于描述激光器输出信号在频率上的分布范围和稳定性,主要应用于光通信和光学测量等领域;

谱宽则用于描述激光器输出光的单色性和窄度,主要应用于光学制导、激光医疗等领域。

这些激光器性能参数的大小和要求会根据不同应用领域和需求而有所差异,因此在激光应用和设计中需要进行精确的控制和调节。

带宽是指在一定波长范围内所包含的频率范围。在通信领域,带宽通常指频率带宽,即信号在频率上的展宽程度。由于波长和频率之间具有互为倒数的关系,因此在光学通信领域中,波长带宽也有相应的定义。在数字通信中,带宽通常是用来衡量通信信道有效的数据传输速率。带宽越宽,数据传输速率就越快。在无线通信中,带宽也是一个需要考虑的因素,因为带宽的限制会对无线信号的传输速率和距离产生影响。在光纤通信中,波长的带宽通常是指一个波长所能承载的数据传输速率。

线宽是指激光器输出光的波长在频率或能量上分布的范围,也叫做谱线宽度。利用干涉仪对激光波长带宽进行测量。可以使用干涉仪进行测试,原理是利用光波的干涉现象测量光的性质。当两束光交叉时会产生干涉条纹,通过对条纹形态进行分析,可以得到光波的相位和频率等信息。将激光束引入到干涉仪中,可以根据干涉条纹的宽度和形状等特征计算出激光波长带宽。还可以使用光谱仪测量激光波长带宽。将激光束引入光谱仪中,可以得到激光输出的光谱曲线。根据光谱曲线的宽度和形状等特征,可以计算出激光波长带宽。在光谱学中,谱线宽度是波峰的全宽度,表示光的频率差异在时间和空间上的展宽程度。激光波长的线宽越窄,说明该激光器所产生的光谱非常窄、单色性好。线宽与激光器本身的特性有关,如激光器的谐振腔长度、反射率、激光介质的特性等。此外,激光波长的线宽还会受到激光器使用环境因素的影响,如激光器电流、温度等参数的变化等。线宽是激光输出光的一个非常重要的指标,对于许多应用来说非常关键,如光通信、光储存、激光医疗、光子学、光学测量等领域。因此,为了获得窄线宽的激光,需要选择高质量的激光器和稳定的工作环境,并采取适当的控制手段,如加热器和反馈控制等。

谱宽是指激光器输出的光的波长范围,广义上指光谱分布在波长轴上的范围。由于激光产生的光通常是单色的,所以其光谱分布的范围很窄,因此谱宽也一般很窄,通常在纳米或者亚纳米级别。最大相对光谱强度50%对应的最长波长减去大相对光谱强度50%对应的最长波长就是激光波长的谱宽。激光波长的谱宽度主要由激光器的谐振腔的特性、激光介质等因素决定,一般是一个固定值。然而,在实际应用中,激光器输出的波长会受到一些因素的影响,如激光器的温度、泵浦功率、电流等因素,这些因素会导致激光器的谐振腔长度或介质折射率等发生变化,进而影响激光波长的谱宽度。在光通信中,要求激光的谱宽尽量窄,以达到高速传输的要求。在激光光谱分析、光学制导等应用中,需要对激光的谱宽进行精确的控制和调节。

边模抑制比指的是激光输出波长中,主模峰值和边模峰值之间的比值,用来评估激光输出波长的干净度和单色性。主模峰值是激光输出的最强的频率分量,而边模峰值则指激光输出波长分布曲线中次于主模峰值的频率分量。边模抑制比越高,代表激光输出的单色性越好,边模分量的输出功率越小。边模抑制比计算公式如下:SMSR = 10 × log10 (Pmain / Pside),其中Pmain是主模峰值的光功率,而Pside是次于主模峰值的边模峰值的光功率。因此,边模抑制比的数值越大,代表激光的单色性越好,边模分量的输出功率越小。如果一个激光的主模峰值功率为1 mW,次于主模的边模峰值功率为10 μW,则其边模抑制比为10 ×log10 (1/0.01) = 20 dB。意味着边模的功率相比主模的功率只有1%左右,该激光的输出为高质量的单色激光。

四、我们与激光

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深圳市中为检验技术有限公司多年在光学测量、分析、标准化控制方面进行深入研究,积累了丰富的产品类型和应用场景测试经验,同时实验室配备了精密的国际知名品牌光学测试仪器设备,能够对激光的波长及相关性能参数进行准确测量评估。

同时实验室具有中国认可、国际互认CNAS资质和检验检测机构资质认定CMA资质,对测量产品可出具权威检测报告。对激光的质量分析证明可靠的检验检测技术服务。

对于激光性能,我司可开展的检测标准方法包括但不限于:

序号

产品

国内标准

国际标准

中文标准名称

1. 

激光产品/激光器

-

ISO 11554:2017

EN ISO 11554:2017

光学和光学仪器.激光器及其相关设备.激光束功率,能量和时间特性参数的检验方法

2. 


GB/T 26599.1-2011

ISO 11146-1:2021

EN ISO 11146-1:2021

激光和激光相关设备 激光光束宽度、发散角和光束传输比的试验方法 1部分:无像散和简单像散光束

3. 


GB/T 27662-2011

ISO 11670:2003

EN ISO 11670:2003

激光光束指向和位置稳定性测试方法

4. 


GB/T 13739-2011

-

激光光束宽度、发散角的测试方法以及横模的鉴别方法

5. 



ISO 13695:2004

EN ISO 13695:2004

光学和光子学 - 激光和激光相关设备 - 激光器光谱特性的测试方法

6. 



ISO 12005:2022 

EN ISO 12005:2022 

激光和激光相关设备.激光束参数的试验方法.偏振

7. 

固体激光器

GB/T 15175-2012

GJB 5441-2005


固体激光器主要参数测量方法

8. 

光纤激光器

JB/T 12632-2016 



9. 

工业用光纤激光器


P2065/D5: 2020


10. 

半导体激光器测试方法

GB/T 31359-2015



11. 

光通信激光产品

GB/T 21548-2021

-

光通信用高速直接调制半导体激光器的测量方法

12. 


-

ISO 17915:2018

光学和光子学-传感用半导体激光器的测量方法

13. 

气体激光器

GB/T 7257-2013


氦氖激光器参数测量方法

14. 


SJ 20762-1999


气体激光器参数测试方法

15. 


JB/T 9490-2013


二氧化碳激光器主要参数测试方法

16. 

军用激光器

GJB 894A-1999

-

军用激光器辐射参数测试方法

17. 

医用激光器

GB 11748-2005


二氧化碳激光治疗机

18. 


GB 12257-2000


氦氖激光治疗机通用技术条件

19. 


YY 0789-2010


Q开关NdYAG激光眼科治疗机

20. 


YY 0307-2022


激光治疗设备 掺钕钇铝石榴石激光治疗机

21. 


YY 0844-2011


激光治疗设备 脉冲二氧化碳激光治疗机

22. 


YY 0845-2011


激光治疗设备 半导体激光光动力治疗机

23. 


YY 0846-2011


激光治疗设备 掺钬钇铝石榴石激光治疗机

24. 


YY 0983-2016


激光治疗设备 红宝石激光治疗机

25. 


YY 1289-2016


激光治疗设备 眼科半导体激光光凝仪

26. 


YY 1300-2016


激光治疗设备 脉冲掺钕钇铝石榴石激光治疗机

27. 


YY 1301-2016


激光治疗设备 铒激光治疗机

28. 


YY 1475-2016


激光治疗设备 Q开关掺钕钇铝石榴石激光治疗机


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