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激光光学中（不超过）指定损耗的指南
在激光光学中适当指定损耗的价值是不言而喻的。不太明显的一点是，更严格的规范可能会成为一件太好的事情。过度指定损耗不会进一步提高系统的性能或可靠性，但可能会花费额外的金钱和/或时间。
激光系统内的光学损耗与各个部件的散射、吸收、透射和反射有关，并且都是波长相关的。这些都会导致整个系统的损耗，并影响所使用的光学元件的耐久性和寿命，通常用激光诱导损伤阈值（LIDT）值来表示。
很少有激光系统需要所有这些标准的规范，因此更好地了解每个问题可以更有针对性和成本效益地优化您的激光系统。要找到正确的平衡点，首先要确定对满足系统关键性能参数至关重要的光损耗，并仅围绕这些参数指定您的要求。
仔细研究激光系统中光学损耗的各个来源-散射、吸收、透射和反射-将阐明它们之间的相互关系，以及何时分别指定它们是有意义的（公式1）。
由于散射引起的损耗与光学器件的表面粗糙度、质量和形状有关。散射降低了激光系统的整体效率，并可能导致激光部件过早失效和/或在某些情况下（例如腔内使用和系统对准）的安全隐患。
注意，散射倾向于在较短的波长下更大，因此控制该光学损耗源在UV激光系统中特别重要。
前向散射、后向散射和总散射的规格部分取决于光学器件的功能。散射测量是使用散射仪进行的，散射仪是使用激光源和积分球的仪器。因为散射是波长相关的，所以测量仅适用于使用与测试激光器相同波长的激光器，并仔细考虑激光器和测试条件的光束质量/要求。
吸收损耗会降低最佳激光输出，并可能对激光器的可靠性和寿命产生不利影响。当入射激光辐射与激光光学器件接触时，一部分辐射被吸收并转化为热。如果足够的热能在光学器件中积累，它可以改变其形状或折射率（称为热透镜效应）。这会降低出射光束的质量或对腔的对准产生不利影响。如果不正确评估，吸收的热效应可能会加速光学器件的退化，并可能导致组件和系统故障。
图1：激光引起的组件故障图像，可由吸收产生的热量累积引发
虽然这强调了吸收和LIDT之间的联系，但这两个量的测量和规格服务于不同的目的，应保持独立。吸收是光学损耗的来源和量度，而LIDT量化了光学器件在失效前所能承受的光子能量水平。
有几种方法通常用于评估光学元件中吸收的热效应，包括激光测热法（如ISO 11551中所述）和光热共路干涉测量法（PCI），有时称为相敏泵浦-探测技术。在PCI方法中，泵浦光束对测试光学器件的周期性局部加热导致探测光束的扰动部分与泵浦光束重合，该扰动部分与折射率变化发生相移。探测光束的扰动和未扰动部分发生干涉，这使该方法具有高测量灵敏度和观察表面和体吸收的能力。
当鉴定必须以高效率和可靠性传输光的组件的性能时，指定与光传输相关的损耗是重要的。通常使用分光光度计进行透射测量，分光光度计使用宽带光源在宽波长范围内工作（图2）。为了提高测量精度和信噪比，建议使用与最终应用更匹配的激光源。
图2：分光光度计常用于测量光学元件的透射率
给定光学器件在目标波长、入射角和输入偏振下的透射特性受沉积薄膜涂层的光谱性能和基底的内部透射率的影响。涂层的性能还受到其所沉积的抛光表面的质量的影响。衬底的内部透射特性需要仔细考虑预期的应用，并且通常以每单位长度的透射百分比为单位来表示。
虽然光学器件的传输特性可能会影响其LIDT，但区分这些规格非常重要。确定LIDT通常更为关键，也是唯一必要的规范。
对于透射光学器件，通常优选指定和测量透射率，而不是单独表面的反射率。仅指定表面反射率会忽略其他损耗源（见公式1）。然而，在某些情况下，仅指定表面反射率的近似值是可接受的成本/性能折衷，因为它更容易指定和验证。
高反射率反射镜和涂层对于任何激光系统的操作都是必不可少的，尤其是那些为光束控制或优化吞吐量而设计的系统。这些系统通常需要99.9%以上的高反射率。
在可接受99.5%或更低反射率的激光系统中，常用的测量方法是使用分光光度法来量化透过反射镜反射表面的光量。虽然这提供了清楚的度量，但是它不能完全考虑由于光学表面和体材料的散射和/或吸收而引起的额外损耗。因此，对于某些类型的光学器件，建议同时指定透射率和反射率。
为了提高测量精度和更好地表示实际性能，使用腔衰荡（CRD）损耗计来评估要求反射率高于99.5%的激光器组件。它们通过测量由测试光学器件和一个或两个参考镜组成的腔中的信号衰减时间来确定总损耗（图3）。与前面提到的规范类似，使用单色光源进行测量是至关重要的，该单色光源在与光学器件设计相同的波长下工作。CRD考虑了由于透射、吸收和散射引起的损耗，并且还提供了光学反射率的更精确表示。
图3：光腔衰荡（CRD）损耗仪通过测量仪器谐振腔中的强度衰减率来确定
光学元件的总损耗，与仅测量传输的技术相比，可实现更高的测量精度
反射率和LIDT规格具有不同的功能，不应混为一谈。虽然镜子和反射涂层可能有LIDT要求，以区分它们可以承受多少能量，但它们的反射率规格是光学效率的衡量标准。
激光腔/系统内的光学损耗是不可避免的，对性能指标（例如输出功率/能量和光束质量）的相关不利影响也是不可避免的。然而，在实践中，通过仅识别和指定对系统性能和预期应用至关重要的光学损耗，可以经济高效地构建激光系统。
国际标准化组织。(2008).光学和光学仪器激光和激光相关设备光学激光元件吸收率的试验方法（ISO 11551：2003）
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