什么是激光光学元件？
激光光学元件是专门用于操控激光的光学组件，激光通常具有相干性和单色性，往往带有偏振，有时强度还很高。激光光学元件的形态和应用多种多样，难以一概而论，但为了确保其正常工作，几乎总是需要以高精度进行制造。
激光光学元件的种类之丰富，恰如其所服务的应用领域。它们涵盖的范围从光纤通信用的微光学元件，到尺寸达数米级的望远镜镜片。它们通过几乎所有类型的光-物质相互作用来操控激光束，包括折射、反射、衍射、偏振和光谱选择性过程、非线性效应，甚至散射。
在激光光学元件的制造过程中，同样需要运用多种多样的工艺手段。这些工艺涵盖了从传统的研磨和抛光（包括其自动化和计算机控制的变体）到单点金刚石车削、光刻、一系列拓印和复制工艺、全息技术，以及各种薄膜镀膜工艺。
然而，激光光学系统中存在一些共同因素。首先，它们几乎总是必须保持激光束的原始波前质量。这是保持激光光独特特性（如空间亮度和相干性）的必要条件。 由光学元件引起的波前畸变会限制系统的性能，以及聚焦激光并保持其光束轮廓的能力。这一点适用于大多数应用，无论是材料加工、外科手术、显微镜、流式细胞术还是电信。 从制造技术角度来看，要最大限度地减少波前畸变，通常需要制造具有高精度表面形状的光学元件，并使用高度均匀的材料。
此外，激光光学元件的散射通常必须控制在极低水平，因为散射会降低激光系统的效率并产生噪声。这将影响从成像到材料加工等所有领域的性能。 将散射降至最低也是防止高功率激光光学元件遭受激光诱导损伤的关键因素。制造低散射光学元件的第一步通常是制造表面粗糙度较低的组件表面。
除布鲁斯特窗口外，激光光学元件几乎总是经过薄膜镀膜处理。这通常也是为了提高性能。例如，大多数透射型激光光学元件都采用抗反射镀膜，以最大限度地提高透射率并最大限度地减少干扰性（鬼影）反射。 薄膜涂层的耐用性通常优于光学元件的基底材料，因此涂层也可用于保护光学表面并延长组件的使用寿命。高意 （High-Y）钻石覆层（DOC）便是这一原理的绝佳例证。
鉴于该领域涵盖范围极为广泛，本文仅对激光光学中一些最重要且影响最深远的类别进行概述。下文将对这些类别进行介绍，但此列表绝非详尽无遗。
林森
透镜是一种折射光线、透光的光学元件，能够在一维或二维空间内聚光或散射激光。由于它们主要用于单色光，因此色差（即焦距随波长变化的现象）在激光透镜中很少成为问题。 因此，对于许多光学系统完全沿光轴工作的简单应用而言，单片透镜（无色差校正）已足够满足需求。 例如光束扩展望远镜以及聚焦和准直透镜。事实上，采用非球面表面的单片聚焦透镜，其轴上性能可基本达到衍射极限（理论上可能达到的最佳性能）。
然而，在至少另外两种情况下，则无一例外地需要采用由多个镜片组成的更复杂的透镜系统。前者是指光圈值较低的系统（光圈值 = 焦距 / 镜头光圈）。 特别是在f/3以下，大多数单片球面镜片的成像性能会显著偏离衍射极限。为解决这一问题，通常采用具有球面和非球面表面的多片式聚焦镜片。
多元件系统的后者应用场景是指那些并非仅沿轴向工作，而是需要覆盖特定视场的应用。 F-Theta扫描透镜便是其中一例。为了构建一种光学系统，使其能在一定角度范围内聚焦于平面（而非曲面），并在视场边缘也能获得良好的焦斑尺寸，必须使用多个光学元件。
《明镜》
金属镀膜反射镜（尤其是硅、铜、铝和金镀膜的反射镜）常用于反射可见光和红外激光束。对于输出光斑尺寸约为 10 µmCO₂通常采用金属基板制成反射镜，并直接将抛光后的裸金属表面作为反射面使用。 金属镜和镀膜镜的优势通常在于成本较低。
当需要更高的反射率以达到更高的激光破坏阈值，或者需要精确的偏振控制时，会采用薄膜涂层。 最简单的激光线薄层反射器通常由高折射率和低折射率材料交替堆叠而成，每层厚度均为激光波长的四分之一。通过堆叠多层此类材料，反射率通常可达到99.9%以上。
然而，这种镀膜镜的带宽相对较窄。这意味着它只能用于与设计时所针对的激光波长完全一致的波长，而不能用于其他波长。此外，所有薄膜镜镀膜的峰值反射率都会随入射角的变化而发生偏移。 因此，设计用于0°入射角的激光线镜无法在45°角下使用，反之亦然。虽然可以开发出宽带全介质（薄膜）反射镜，使其能在更宽的波长和入射角范围内使用，但此类镜片的峰值反射率会略低。
分光器
分光器是一种光学元件，它能反射部分入射的激光能量，并让其余部分通过。这种效应可能与偏振状态密切相关。有时这是一种缺点，但在其他情况下，人们却会刻意利用这一特性，以分离或组合正交偏振光。
分束器也可以具有波长选择性。在这种情况下，它可用于分离两束波长不同的同轴激光束。例如，二色性分束器激光器 :激光器 基波波长（1064 nm），并透过其二次谐波（532 nm）。
最常见的分光器类型是立方体型和板状型。立方体型分光器由两个直角棱镜组成，它们的斜边相互连接，从而形成一个立方体。分光器的镀膜位于其中一个棱镜的斜面上。其余四个面通常经过消光处理。
立方体和板状分光器虽然功能相同，但结构却大不相同。这导致它们具有不同的特性，在各种应用中各有优缺点。
板状分光器是一种平面平行（或通常略呈楔形）的板。分光器涂层通常位于第一表面，而第二表面则具有抗反射涂层。
无论是立方体分光器还是板状分光器，都具有各自独特的特性，这些特性在不同的应用中各有优缺点。 例如，板状分束器通常结构更紧凑、重量更轻，且制造成本更低。然而，当入射角不为0°时，它们会产生不受欢迎的二次反射，且该反射光与主反射光存在偏移。此外，它们还会使发射光发生偏移，这可能导致系统设计更加复杂，并对准操作更加困难。
立方体分光器消除了不受欢迎的二次反射以及传输光束中任何偏移的问题。它们通常在更宽的入射角范围内也能表现得更好。 此外，立方体分光器更容易涂覆对偏振不敏感且工作波长范围更广的镀膜。但在某些情况下，立方体分光器的使用寿命可能较短，且对温度波动更为敏感。
偏振分量
大多数激光器发射的是偏振光，而能够对这种偏振进行操控、分析或利用的光学元件和设备不胜枚举。 概念上最简单的光学元件是线性偏振片。它只允许特定方向偏振的光通过，并阻挡其他所有偏振方向的光。线性偏振片可以实现多种功能。当将其旋转置于偏振激光束中时，它就如同一个可变衰减器——一个激光器的调光开关！
四分之一波片是改变激光束偏振状态的最基本的光学元件之一。它能将线性偏振光转换为圆偏振光，反之亦然。半波片则会旋转线性偏振入射光的偏振方向。由于半波片本身会发生物理旋转，因此该旋转角度可在0°至90°之间无级调节。
偏振旋转器和线性偏振片（或偏振分束器）可以组合成法拉第隔离器。这些是光学的“单向阀”。 这些装置特别有用，可防止反射光重新进入激光器，从而避免造成损坏或运行不稳定。在工业大功率激光系统中，法拉第隔离器通常承担这一功能。
法拉第隔离器结合了偏振分束器和磁活性晶体（可将光的偏振面旋转45°），从而制造出一种仅允许激光束单向通过的装置。
一种更先进的、基于偏振的激光光学器件是电光调制器（EOM）。与法拉第隔离器类似，它利用晶体来旋转传输光的偏振面。不过，在此情况下，该效应是由施加的电场而非磁场控制的。这种现象被称为波克尔斯效应。
为了制造一个强度调制器，需将电光晶体与线性偏振片配对。当入射激光束的偏振面与线性偏振片一致时，光束即可通过。 当施加的电压调整到使晶体将光束的偏振方向相对于线性偏振片旋转90°时，光束会被阻挡。通过改变电压，可以调制透射激光束的强度，其调制速率通常可达数兆赫兹。
高能激光光学 (HEL)
虽然目前尚无关于“高能激光光学元件”的确切定义，但本质上，这类元件是指与具有高峰值能量或高通量值的激光器配合使用的组件。具体而言，这意味着其功率水平足以损坏大多数采用传统工艺制造的光学元件，或者至少会显著缩短其使用寿命。
激光诱导损伤的机制多种多样，且取决于多个因素，包括激光波长、脉冲能量、峰值功率、脉冲波形等。然而，大多数损伤要么是由体吸收引起的加热造成的，要么是由激光脉冲的高电场引起的介电击穿造成的，要么是由多光子吸收引起的雪崩击穿造成的。
高能激光光学器件的工作原理与前文所述相同（透镜、反射镜、偏振片等）。不过，必须对这些组件的材料、抛光和镀膜进行极其严格的控制，以最大限度地减少运行中的各种损伤机制。
这通常从材料选择阶段就开始了。具体而言，就是选择那些在工作波长下天然具有较高激光诱导破坏阈值（LIDT）和较低吸收率的基板材料。 当然，材料本身必须具备高纯度和高品质。随后，后续加工的每个步骤（成型、镀膜甚至包装）都必须经过仔细监控和控制，以最大限度地减少污染。HEL光学元件通常在洁净室环境中制造。
由于表面粗糙度在LIDT中往往起着重要作用，因此在HEL制造过程中常采用特殊的抛光技术。甚至可以专门选择所使用的抛光剂，以最大限度地减少污染物和继发性损伤。
HEL光学元件的薄膜镀膜制备是一门独立的学科。在此领域，所用材料及其纯度同样至关重要。此外，还可以针对性地优化镀膜设计，以提升导热性和散热性能。 此外，涂层还可设计为抑制非线性光学效应，例如谐波产生或自聚焦现象，这些效应在高能量水平下表现得更为显著。
超短脉冲光学
光学元件和镀膜是另一类独立的组件类别，专用于超短脉冲激光器（脉冲持续时间在飞秒或皮秒量级）。这主要有两个原因。
首先，超短脉冲激光器不像大多数其他激光器那样具有单色性。Ultrafast 的基本物理原理决定了：随着脉冲宽度的缩短，输出信号的谱带宽（波长范围）会增大。例如，由 高意 Vitara 激光器产生的12飞秒脉冲虽然中心波长为800纳米，但其带宽约为100纳米。
Ultrafast 第二个显著特征在于，其通常具有非常高的峰值功率。这些功率水平可能会引发前文提到的激光诱导损伤问题。
Ultrafast 更宽的带宽所引发的主要问题，并非像可见光成像光学系统中可能出现的那样是色差。真正的问题在于群速度色散（GVD）。
GVD现象的产生，是因为Ultrafast 不同波长的成分在介质中传播的速度略有差异。因此，当超快脉冲穿过光学元件或涂层时，短波长成分会比长波长成分稍晚一些射出。这导致脉冲长度增加。
超短脉冲并非单色光，而是由一个波长范围组成。脉冲越短，其光谱展宽就越明显。当超快脉冲穿过某种材料时，色散效应会导致较短波长的传播速度慢于较长波长。这会使脉冲在时间上被拉伸——脉冲宽度随之增大。 为了逆转这一效应，脉冲压缩镜会使波长较短的光波更深地穿透涂层。
延长脉冲长度可能会根据具体应用带来不同的问题。一方面，这会降低时间分辨率，例如在时间分辨光谱学等应用中。此外，这还会降低脉冲峰值功率，从而影响所有基于非线性现象的应用，例如多光子成像或CARS光谱学。
“色散镜”是超快光学领域中一个重要的类别。这是一种经过薄层镀膜处理的高反射镜，专为抑制超快激光脉冲中的色散效应而开发。
这种光学系统的运作原理在概念上非常简单。它基本上由多层高反射涂层叠加而成，每层涂层都针对略有不同的波长进行优化。
现在设想一种设计：波长较短的反射器位于涂层顶部，而波长较长的反射器则位于堆叠结构的更深处。 较长波长的光在被反射前必须穿过涂层更长的距离。这需要更多时间，从而使脉冲中“较慢”的成分得以追上。其结果是，原本因先经过另一个色散成分而发生散射的脉冲，会再次被压缩。
为了有针对性地延长脉冲，通常会使用色散镜。例如，可以在脉冲进入放大器之前，先用色散镜对其进行延展。这样可以降低峰值功率，从而减少因极高的激光通量导致放大器光学元件受损的风险。 脉冲经过放大后，会通过另一个具有与第一个相反作用的色散镜，将其压缩回原始的较短脉冲宽度。这被称为调频脉冲放大（CPA）。
本概述仅介绍了激光光学器件中的少数几种类型，并简要说明了它们的工作原理和应用场景。 高意 丰富的激光光学器件产品系列，了解更多信息。