激光器偏振方向和發(fā)散角的區(qū)別是什么？

  激光器作為現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)的核心器件，其偏振方向與發(fā)散角是決定光束特性的兩大關(guān)鍵參數(shù)。前者決定光波的振動(dòng)特性，后者影響光束的傳輸能力。四川梓冠光電將從技術(shù)原理、參數(shù)特性及實(shí)際應(yīng)用三個(gè)維度，系統(tǒng)解析兩者的差異。

  一、偏振方向：

  偏振方向指激光光束中電場(chǎng)矢量的振動(dòng)方向，本質(zhì)上是橫波的空間屬性。與自然光中電場(chǎng)矢量隨機(jī)分布不同，激光器輸出的光波通常具有高度有序的偏振特性。

  1、技術(shù)特性與分類

  大多數(shù)激光器采用線偏振輸出，即電場(chǎng)矢量在垂直于傳播方向的平面內(nèi)沿固定方向振動(dòng)。例如，光纖激光器通過增益介質(zhì)與諧振腔設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的線偏振輸出。部分激光器可產(chǎn)生徑向偏振光，其偏振方向沿光束截面呈輻射狀分布，在超分辨成像領(lǐng)域具有優(yōu)勢(shì)。

  偏振方向的穩(wěn)定性直接影響激光器的應(yīng)用場(chǎng)景。以非線性頻率轉(zhuǎn)換為例，相位匹配條件要求輸入光為特定偏振態(tài)，偏振態(tài)波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)換效率驟降。因此，高精度偏振控制成為超快激光器、量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)的核心技術(shù)指標(biāo)。

  2、應(yīng)用場(chǎng)景與案例

  光通信：光纖通信系統(tǒng)依賴偏振復(fù)用技術(shù)，通過將兩束正交偏振光作為獨(dú)立信道，可使單根光纖傳輸容量翻倍。

  精密加工：激光焊接中，偏振態(tài)與材料晶體結(jié)構(gòu)的匹配度直接影響熔池形態(tài)。例如，Nd:YAG激光器通過調(diào)節(jié)偏振方向，可優(yōu)化金屬對(duì)激光能量的吸收效率。

  生物醫(yī)學(xué)：雙光子顯微鏡利用圓偏振光減少生物組織散射，提升成像深度與分辨率。

  二、發(fā)散角：

  發(fā)散角是衡量激光光束在傳播過程中擴(kuò)散程度的物理量，通常定義為光強(qiáng)降至峰值一半時(shí)，光束直徑擴(kuò)展所形成的夾角。該參數(shù)直接決定激光的遠(yuǎn)場(chǎng)傳輸特性與聚焦能力。

  1、技術(shù)特性與分類

  激光器的發(fā)散角由諧振腔結(jié)構(gòu)與增益介質(zhì)特性共同決定。傳統(tǒng)CO?激光器發(fā)散角可達(dá)毫弧度級(jí)，而半導(dǎo)體激光器因諧振腔較短，發(fā)散角通常在10°-30°之間。通過準(zhǔn)直透鏡與擴(kuò)束鏡組合，可將發(fā)散角壓縮至微弧度級(jí)，滿足激光雷達(dá)、自由空間光通信等長(zhǎng)距離傳輸需求。

  光束質(zhì)量因子M2是評(píng)估發(fā)散角性能的核心指標(biāo)。理想高斯光束M2=1，實(shí)際激光器因模式畸變、熱透鏡效應(yīng)等因素，M2值通常大于1。例如，碟片激光器通過空間光路耦合設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)M2<1.3的高質(zhì)量光束輸出，適用于精密激光切割與3D打印。

  2、應(yīng)用場(chǎng)景與案例

  工業(yè)加工：激光切割中，發(fā)散角小于0.5mrad的光纖激光器可在10m距離上保持0.1mm級(jí)光斑直徑，實(shí)現(xiàn)高精度金屬切割。

  激光雷達(dá)：自動(dòng)駕駛系統(tǒng)采用發(fā)散角0.1°的1550nm光纖激光器，可在200m距離上形成直徑僅35cm的探測(cè)光斑，顯著提升目標(biāo)識(shí)別精度。

  科研領(lǐng)域：引力波探測(cè)中的超穩(wěn)激光器，要求發(fā)散角小于1μrad，以確保光束在4km真空管道中傳輸時(shí)的相位穩(wěn)定性。

  三、偏振方向與發(fā)散角的協(xié)同優(yōu)化

  在應(yīng)用中，偏振方向與發(fā)散角需協(xié)同優(yōu)化。例如，光刻機(jī)用極紫外（EUV）激光器需同時(shí)滿足：

  偏振度>99.5%的線偏振輸出，以匹配光刻膠的各向異性吸收特性；

  發(fā)散角<0.1mrad，確保光束在反射鏡組傳輸中的波前畸變低于λ/20。

  這一技術(shù)突破推動(dòng)了7nm及以下制程芯片的量產(chǎn)，彰顯了參數(shù)協(xié)同優(yōu)化的工程價(jià)值。

  偏振方向與發(fā)散角作為激光器的兩大核心參數(shù)，分別從空間振動(dòng)特性與傳輸擴(kuò)散特性兩個(gè)維度定義了光束性能。從光纖通信的偏振復(fù)用到激光雷達(dá)的長(zhǎng)距離探測(cè)，從量子計(jì)算的精密控制到工業(yè)加工的微納制造，兩者的優(yōu)化始終是激光技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力。隨著納米激光器、光頻相控陣等前沿技術(shù)的發(fā)展，對(duì)這兩大參數(shù)的精準(zhǔn)調(diào)控將進(jìn)一步拓展激光器的應(yīng)用邊界，開啟光子技術(shù)的新紀(jì)元。