激光器光学元件
激光器光学元件是什么？
激光器光学元件是专门用于操纵激光的部件。激光通常是相干的单色光，经常发生偏振，有时强度很高。激光器光学元件的形式和应用多种多样，很难一概而论，但它们几乎都必须始终保持高制造精度才能成功运行。
激光器光学元件与其应用领域一样多种多样，从光纤通信微光学元件到米级望远镜镜面。它们通过几乎所有类型的光/物质相互作用来操纵激光束，包括折射、反射、衍射、偏振和光谱选择过程、非线性效应甚至散射。
激光器光学元件的制造同样需要多种技术。这些技术包括传统的研磨和抛光（及其计算机控制的自动化变体）、单点金刚石车削、光刻、一系列成型和复制方法、全息技术以及各种薄膜涂层工艺。
然而，激光器光学元件之间存在一些统一的因素。首先，它们几乎总是需要保持激光束的原始波前质量。这对于保持激光的独特品质（如空间亮度和相干性）至关重要。光学元件引入的波前畸变限制了系统效率以及聚焦激光和维持其光束轮廓的能力。这适用于大多数应用，无论是材料加工、外科手术、显微镜检查、流式细胞术还是电信。在制造方面，最大限度减少波前畸变通常需要制造具有高度精确的表面形状的光学元件并使用非常均匀的材料。
激光器光学元件通常还必须尽可能减少产生的散射，因为这会降低激光系统的效率并带来噪音。这降低了从成像到材料处理等各个方面的性能。尽量减少散射也是避免高功率激光器光学元件受到激光诱发损伤的一个关键因素。制造低散射光学元件的第一步通常是生产具有低表面粗糙度的元件表面。
激光器光学元件几乎都是有薄膜涂层的，但布鲁斯特窗口是个著名的例外。再次强调，这通常是为了提高性能。例如，大多数透射激光器光学元件使用抗反射涂层来最大限度提高吞吐量并最大限度减少杂散（鬼影）反射。薄膜涂层通常比光学元件的基底材料更耐用，因此涂层也可用于保护光学表面并延长组件寿命。Coherent diamond over-coat (DOC) 就是这方面的一个突出例子。
鉴于该主题的范围非常广泛，本文将仅概述一些最重要的、最广泛的激光器光学元件类别。下文将对其进行介绍，但这份清单并不全面。
透镜
透镜是一种折射透射光学元件，可以在一维或二维上集中或扩散激光。由于它们主要用于单色光，因此激光透镜很少发生色散（镜头焦距随波长的变化）问题。因此，单元件透镜（没有色彩校正）适用于许多光学元件完全在轴上工作的简单任务。例如扩束望远镜和聚焦和准直透镜。事实上，具有非球面表面形状的单元件聚焦透镜可以在衍射极限下提供轴上性能（理论上可能的最佳性能）。
然而，至少在另外两种情况下，总是需要更复杂的多元件镜头系统。第一种是低焦距比数系统（焦距比数 = 镜头系统焦距/孔径）。特别是在 f/3 以下，大多数单元件球面透镜的性能与衍射极限有较大偏差。为了解决这个问题，可以使用多元件球面以及非球面聚焦透镜。
多元件系统的第二种应用是并非纯轴向操作但必须覆盖特定视野的应用。F-theta 扫描透镜就是一个例子。需要多个元件来创造一个光学元件，该光学元件可以在一定角度范围内聚焦在平面（而不是曲面）上，并且还可以在视场的边缘实现良好的聚焦光斑尺寸。
镜子
金属镀膜镜，特别是用硅、铜、铝和金作为镀膜的反射镜，常用于反射可见光和红外激光束。对于输出波长约为 10 µm 的 CO₂ 激光器，用金属基材制作镜子并简单地使用裸露的抛光金属表面作为镜子的情况并不少见。金属和金属镀膜镜的优点通常在于成本较低。
当需要更高水平的反射率以达到更高的激光损伤阈值水平，或者需要精确的偏振控制时，就会采用薄膜涂层。最简单的激光线薄膜反射器通常是一叠交替堆叠的高折射率和低折射率材料，每一层的厚度为激光波长的四分之一。通过构建多层这种类型的层，通常可以实现超过 99.9% 的反射率值。
然而，具有此种涂层的镜子的频带相对较窄。这意味着它不能在设计的精确激光波长以外的波长下使用。此外，所有薄膜镜面涂层的峰值反射率都会随着角度而变化。因此，设计用于 0° 入射角的激光线镜不能在 45° 入射角下使用，反之亦然。可以设计宽带全电介质（薄膜）镜，以适用于更广泛的波长和入射角。但这样会稍微牺牲峰值反射率的值。
分束器
分束器是一种反射部分入射激光能量并传输其余能量的光学元件。这种效应可能高度依赖于极化。有时这是一个缺点，但在其他情况下，它被专门用于分离或组合正交极化。
分束器也可能依赖于波长。在这种情况下，它可能被用来分离两个具有不同波长的同轴激光束。其中一个例子是 二向色分光镜 ，它反射 Nd:YAG 激光的基波波长（1064 nm）并传输其二次谐波（532 nm）。
分束器最常见的格式是 立方体类型 和 板类型。立方体型分束器由两个直角棱镜组成，它们在斜边处连接在一起形成一个立方体。分束器涂层位于其中一个棱镜的斜边上。其余四个面通常都涂有防反射涂层。
立方体和板型分束器具有相同的功能，但构造却差异很大。这使得它们具有不同的特性，从而导致在各种应用上各有优缺点。
板式分束器是一块平面平行（或通常略微成楔形）的板。分束器涂层通常位于第一表面，第二表面具有抗反射涂层。
立方体和板式分束器都有各自的独有特性，因此在各种应用中各有优缺点。例如，板式分束器通常更紧凑更轻，并且生产成本也更低。但是，当以除 0° 入射角以外的任何角度使用时，它们会产生与主反射光束偏移的不必要的二次反射。它们还会偏移透射光束，这会使系统设计更加复杂，对准更加困难。
立方体分束器消除了不必要的二次反射问题以及透射光束中的任何偏移。它们通常也能在更广泛的入射角范围内发挥更好的作用。生产对偏振不太敏感且可在更宽的波长范围内发挥作用的带有涂层的立方体分束器也更加容易。但立方体分束器的耐用性较差，而且对温度变化更敏感。
偏振元件
大多数激光器发射的是偏振光，并且有多种不同的光学元件和设备，设计用来操纵、分析或利用这种偏振。从概念上来说，最简单的光学元件是线性偏振器。它只是让偏振方向为特定方向的光通过，并阻挡其他方向偏振的光。线性偏振器可用于执行多种功能。如果它在偏振激光束中旋转，它就充当可变衰减器——激光器的调光开关！
改变激光束偏振状态的最基本的光学元件之一是 四分之一波片。它们将线性偏振光转换为圆偏振光，或反之。半波片旋转输入线偏振光的偏振方向。随着半波长板本身的物理旋转，这种旋转可以平滑地从 0° 变化到 90°。
偏振旋转器和线性偏振器（或 偏振分束器）可以组合制成 法拉第隔离器。这些是光的“单向阀”。这些是特别有用的装置，可以防止反射光重新进入激光器，从而防止造成损坏或引起操作不稳定。法拉第隔离器通常在高功率工业激光系统中发挥此功能。
法拉第隔离器使用偏振分束器和磁活性晶体（将光的偏振平面旋转 45°）的组合，从而产生仅在一个方向传递激光束的装置。
一种更复杂的基于偏振的激光器光学元件器件是 电光调制器（EOM）。与法拉第隔离器一样，它采用的晶体可以旋转透射光的偏振面。但在这种情况下，这种效应是由施加的电场而不是磁场控制的。这被称为普克尔斯效应。
为了制作强度调制器，需要将电光晶体与线性偏振器配对。当输入激光束的偏振面与线偏振器对齐时，光束就会透射。当调整施加的电压使得晶体相对于线性偏振器将光束偏振旋转 90° 时，光束就会被阻挡。通过改变电压，可以调制传输的激光束强度，通常速度高达几 MHz。
高能激光器 (HEL) 光学元件
对于高能激光器光学元件的具体构成，尚无具体的定义，但本质上这些元件是与具有高峰值能量或通量值的激光器一起使用的组件。具体来说，这意味着功率水平会损坏使用传统方式生产的大多数光学元件，或至少会显著缩短其使用寿命。
激光引起损伤的机制有很多种，取决于多种因素，包括激光波长、脉冲能量、峰值功率、脉冲形状等。但大多数损伤往往是由于体吸收引起的加热、激光脉冲高电场引起的电介质击穿或多光子吸收引起的雪崩击穿而发生的。
高能激光器光学元件的功能与已经描述的相同（透镜、镜子、偏振器等）。但是，必须极其小心地控制这些部件的材料、抛光和涂层，以尽量减少运行过程中的各种损坏机制。
这通常从材料选择开始。即选择本质上表现出高激光诱导损伤阈值（LIDT）和在工作波长下低吸收的基底材料。当然，实际材料本身必须具有较高的纯度和质量。然后，必须仔细监控和控制后续加工（成型、涂层甚至包装）的每一步，以最大限度减少污染。HEL 光学元件通常在洁净室环境中制造。
表面粗糙度通常在 LIDT 中起着一定的作用，因此在 HEL 制造中经常使用专门的抛光技术。甚至可以专门选择所使用的抛光磨料，以最大限度减少污染和随后的损坏。
生产 HEL 光学元件的薄膜涂层本身就是一门完整的学科。再次，所用的材料及其纯度至关重要。此外，还可以专门优化涂层设计以增强导热性和散热性。此外，涂层还可以设计用于抑制非线性光学效应，例如谐波产生或自聚焦，这些效应在高能级下更为明显。
超快光学
超快激光器（脉冲持续时间在飞秒或皮秒范围内）的光学元件和涂层是另一类截然不同的部件。造成这种情况的主要原因有两个。
首先，超快激光器不像大多数其他激光器那样接近单色。这是因为超快激光器的基本物理原理决定了，随着脉冲宽度变短，输出的光谱带宽（波长范围）会增加。例如，Coherent Vitara 激光器产生的 12 fs 脉冲的中心波长为 800 nm，但带宽约为 100 nm。
超快光学元件的第二个区别是它们通常具有非常高的峰值功率。这些功率水平可能会导致前面提到的激光诱导损伤问题。
超快脉冲的较大带宽引起的主要问题并非色差，因为这可能是用于可见光的成像光学元件的问题。相反，问题在于群速度色散（GVD）。
GVD 发生的原因是超快脉冲的不同波长成分在穿过材料时的速度略有不同。因此，当超快脉冲穿过光学元件或涂层时，较短波长的出现时间会比较长波长的出现时间稍晚一些。这会增加脉冲长度。
超快脉冲不是单色的，而是由一系列波长组成。脉冲越短，频谱范围越宽。当超快脉冲穿过光学材料时，色散会导致较短波长的移动速度比较长波长的移动速度慢。这会使脉冲随时间扩展——脉冲宽度增加。脉冲压缩反射镜可以使更快的波长更深入地穿透涂层，从而逆转这种效应。
脉冲长度的增加会产生多种问题，具体取决于用途。例如，它降低了时间分辨光谱等应用中的时间分辨率。它还可以降低脉冲峰值功率，这会影响任何依赖非线性现象的应用，例如多光子成像或 CARS 光谱。
一类重要的超快光学元件是“色散反射镜”。这种反射镜是薄膜镀膜高反射镜，专门设计用于管理超快激光脉冲中的色散效应。
这些光学元件的工作原理从概念上来说很简单。它们本质上由多层高反射涂层组成，每层涂层都调整到略有不同的波长。
现在考虑这样一种设计，其中较短波长的反射器位于涂层的顶部，而较长波长的反射器则放置在层堆的更深处。波长较长的光必须穿过涂层传播更远距离才能被反射，这就需要更多时间，因此脉冲中“慢速”的部分就能够赶上它们。这具有重新压缩因先前经过另一个色散元件而扩散的脉冲的效果。
色散镜通常用于有目的地延长脉冲。例如，脉冲在进入放大器之前可能会被色散镜延长。这会降低其峰值功率，并降低由于极高激光通量而损坏放大器光学元件的可能性。脉冲被放大后，用另一个与第一个具有相反效果的色散镜将其重新压缩回其原始的较短脉冲宽度。这被称为啁啾脉冲放大（CPA）。
本概览仅涉及几种类型的激光器光学元件，并对它们的工作原理和用途提供了简单的解释。探索种类繁多的 Coherent 激光器光学元件，了解更多信息。