激光器光学元件是什么？
激光器光学元件是专门用于操控激光的部件。激光通常是高能的单色光，常呈偏振状态，有时强度极高。激光器光学元件的形式和应用多种多样，难以一概而论，但它们几乎都必须始终保持高制造精度才能正常运行。
激光器光学元件的应用领域与激光器本身一样广泛，从光纤通信中的微光学元件到米级望远镜的镜面。它们通过几乎所有类型的光与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，激光器中的光学元件存在一些共同点。首先，它们几乎总是需要保持激光束的原始波前质量。这对维持激光的独特特性（如空间亮度和高相干性）至关重要。光学元件引入的波前畸变会限制系统的效率，以及聚焦激光和维持其光束轮廓的能力。这一特性适用于大多数应用，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，要最大限度地减少波前畸变，通常需要制造具有高度精确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声。这会降低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导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带有薄膜涂层，但布鲁斯特窗口是一个著名的例外。再次强调，这通常是为了提高性能。例如，大多数透射型激光器光学元件都会采用抗反射涂层，以最大限度地提高通光量并最大限度地减少杂散（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的使用寿命。高意 （Gaoyi）的钻石涂层（DOC）就是这方面的一个突出例子。
鉴于该主题涵盖范围极为广泛，本文仅概述其中最重要、最常见的几类激光器光学元件。下文将对此进行介绍，但这份清单并非详尽无遗。
透镜
透镜是一种折射透射光学元件，可在一维或二维空间内对激光进行聚光或发散。由于它们主要用于单色光，因此激光透镜很少出现色散（焦距随波长变化）的问题。因此，单片透镜（未进行色差校正）适用于许多光学元件完全沿轴线工作的简单任务。例如束扩望远镜以及聚焦和准直透镜。事实上，具有非球面表面形状的单片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片式镜头系统。第一种是低焦比系统（焦比 = 镜头系统焦距/孔径）。特别是在 f/3 以下，大多数单片球面透镜的性能与衍射极限存在较大偏差。为了解决这个问题，可以使用多片式球面透镜以及非球面聚焦透镜。
多元件系统的第二种应用场景并非纯粹的轴向操作，但必须覆盖特定的视场。F-theta扫描透镜便是其中一例。需要多个元件共同构成一个光学系统，该系统能够在一定角度范围内将光线聚焦在平面（而非曲面）上，并且在视场边缘也能实现良好的焦斑尺寸。
反射镜
金属镀膜镜，特别是采用硅、铜、铝和金作为镀膜材料的反射镜，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 ，并直接将抛光后的裸露金属表面作为镜面的情况并不少见。金属及金属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损伤阈值，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由高折射率和低折射率材料交替堆叠而成，每层的厚度为激光波长的四分之一。通过构建多层此类结构，通常可以实现超过 99.9% 的反射率。
然而，具有此类涂层的镜子的带宽相对较窄。这意味着它无法在设计所针对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入射角的变化而变化。因此，设计用于 0° 入射角的激光线镜无法在 45° 入射角下使用，反之亦然。可以设计宽带全介质（薄膜）镜，以适应更广泛的波长和入射角。但这会稍微牺牲峰值反射率的数值。
分束器
分束器是一种光学元件，它能反射部分入射激光能量，并将剩余能量传输出去。这种效应可能高度依赖于偏振状态。有时这是一种缺点，但在其他情况下，它却被专门用于分离或组合正交偏振光。
分束器也可能与波长有关。在这种情况下，它可用于分离两个波长不同的同轴激光束。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），并透射其二次谐波（532 nm）。
分束器最常见的形式是立方体和板状。立方体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。分束器的镀膜位于其中一个棱镜的斜面上。其余四个面通常都涂有防反射镀膜。
立方体分束器和板式分束器具有相同的功能，但结构却大不相同。这使得它们具有不同的特性，因此在各种应用中各有优缺点。
板式分束器是一块平面且平行的（或通常略呈楔形的）板。分束器的涂层通常位于第一表面，第二表面则具有抗反射涂层。
立方体分束器和板式分束器各有其独特特性，因此在各种应用中各有优缺点。例如，板式分束器通常结构更紧凑、重量更轻，且制造成本也更低。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，对准也更加困难。
立方体分束器消除了不必要的二次反射问题，并消除了透射光束中的任何偏移。它们通常也能在更宽的入射角范围内发挥更好的作用。生产对偏振不敏感且可在更宽波长范围内工作的镀膜立方体分束器也更为容易。但立方体分束器的耐用性较差，且对温度变化更为敏感。
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，专门用于操纵、分析或利用这种偏振。从概念上讲，最简单的光学元件是线性偏振片。它仅允许偏振方向为特定方向的光通过，并阻挡其他方向偏振的光。线性偏振片可用于执行多种功能。如果将其在偏振激光束中旋转，它便充当可变衰减器——激光器的调光开关！
将激光束偏振状态转变为圆偏振光或线性偏振光的基本光学元件之一是四分之一波片。它们能将线性偏振光转换为圆偏振光，反之亦然。半波片可旋转输入线性偏振光的偏振方向。随着半波片本身的物理旋转，这种旋转角度可以平滑地从 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”。它们是非常有用的装置，能够防止反射光重新进入激光器，从而避免造成损坏或导致运行不稳定。法拉第隔离器通常在高功率工业激光系统中发挥这一作用。
法拉第隔离器通过结合偏振分束器和磁活性晶体（将光的偏振平面旋转 45°），从而形成一种仅允许激光束沿单一方向传输的装置。
一种更复杂的基于偏振的激光器光学元件是电光调制器（EOM）。与法拉第隔离器一样，它所使用的晶体能够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非磁场控制的。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性偏振器对齐时，光束就会透射。当调整施加的电压，使晶体相对于线性偏振器将光束的偏振旋转 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，通常速度可达几 MHz。
高能激光器 (HEL) 光学元件
关于高能激光器光学元件的具体构成，目前尚无明确的定义，但本质上，这些元件是与具有高峰值能量或峰值通量的激光器配合使用的组件。具体来说，这意味着其功率水平足以损坏采用传统工艺制造的大多数光学元件，或者至少会显著缩短其使用寿命。
激光引起损伤的机制多种多样，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。但大多数损伤通常是由体吸收引起的加热、激光脉冲高电场引起的介质击穿，或是多光子吸收引起的雪崩击穿所导致的。
高能激光器光学元件的功能与前文所述相同（透镜、反射镜、偏振片等）。但是，必须极其谨慎地控制这些元件的材料、抛光和镀膜工艺，以最大限度地减少运行过程中的各种损伤机制。
这通常从材料选择开始。即选择本质上具有较高激光诱导损伤阈值（LIDT）且在工作波长下吸收率较低的基底材料。当然，实际材料本身必须具备较高的纯度和质量。随后，必须仔细监控和控制后续加工（成型、镀膜甚至包装）的每一步，以最大限度地减少污染。高能激光（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 中起着一定作用，因此在 HEL 制造过程中常采用专门的抛光技术。甚至可以专门选择所使用的抛光磨料，以最大限度地减少污染和后续损伤。
生产HEL光学元件的薄膜涂层本身就是一门完整的学科。此外，所用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，这些效应在高能量水平下更为明显。
超快光学
超快激光器（脉冲持续时间在飞秒或皮秒范围内）的光学元件和镀膜属于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，随着脉冲宽度的缩短，输出的光谱带宽（波长范围）会增加。例如，高意 Vitara 激光器产生的 12 fs 脉冲中心波长为 800 nm，但带宽约为 100 nm。
超快光学元件的第二个特点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文提到的激光诱导损伤问题。
超快脉冲较大的带宽所引发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 的产生原因在于，超快脉冲的不同波长成分在穿过材料时的传播速度略有差异。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。这会增加脉冲的持续时间。
超快脉冲并非单色光，而是由一系列波长组成。脉冲越短，其光谱范围越宽。当超快脉冲穿过光学材料时，色散会导致短波长光粒子的传播速度慢于长波长光粒子。这会导致脉冲随时间扩展——即脉冲宽度增大。脉冲压缩反射镜能使高频波长更深入地穿透涂层，从而逆转这种效应。
脉冲长度的增加会引发多种问题，具体取决于应用场景。例如，它会降低时间分辨光谱等应用中的时间分辨率。此外，它还会降低脉冲峰值功率，从而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“色散镜”。这种反射镜属于薄膜镀膜高反射镜，专门用于控制超快激光脉冲中的色散效应。
从概念上讲，这些光学元件的工作原理非常简单。它们本质上由多层高反射涂层组成，每层涂层都针对略有不同的波长进行了优化。
现在考虑一种这样的设计：波长较短的反射器位于涂层的顶部，而波长较长的反射器则置于层堆的更深处。波长较长的光必须穿过涂层传播更远的距离才能被反射，这需要更长的时间，因此脉冲中“较慢”的部分便能追上它们。这具有将先前经过另一个色散元件而发生展宽的脉冲重新压缩的效果。
色散镜通常用于有目的地延长脉冲。例如，在进入放大器之前，脉冲可能会被色散镜拉长。这会降低其峰值功率，并降低因极高的激光通量而损坏放大器光学元件的可能性。脉冲被放大后，再使用另一个与第一个效果相反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）。
本概述仅涉及几种类型的激光器光学元件，并对其工作原理和用途进行了简要说明。探索种类高意 元件，了解更多信息。