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道路照明案例
光效205LM/W,玻璃透镜，CSA016标准，IP68，WF2，CE安规，DIALux模拟
港口船用案例
光效205LM/W,玻璃透镜，可调支架安装，IP68，WF2，CE安规，船级社认证，DIALux模拟
石油化工案例
EX认证，光效205LM/W,玻璃透镜，多种安装方式，IP68，WF2，CE安规，船级社认证，DIALux模拟
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Literatur
亮度(Brightness)
定义：通常定性的描述，与激光器的输出功率和光束质量有关；定量化描述需要与照度结合一起。 亮度通常用于激光器和激光光束中，通常是纯描述性的，非定量的应用。而定量的定义不止一个，这就会造成混乱。有时，亮度被看做照度值，而又有些地方被看做辐射量（如下）。重要的差别在于辐照量用于光功率及其相关量，而照度值则是用来估计光辐射的强度。 尽管美国联邦标准1037C建议将亮度概念在生理感觉方面仅仅作为非定量的参考，但是现在普遍采用它用于其它方面。在激光器技术中，激光光源的亮度（定量情况）通常认为等于其辐射量，是总功率除以焦点模式面积和远场角度的乘积，单位通常为W sr−1 cm−2。本词条下面都采用这一定义。 具有适中发散角的衍射极限光束（傍轴近似适用），由光束发散角和光束半径之间的关系可得： 上式表明，除了与功率和光束质量相关外，亮度还依赖于波长。 而非衍射极限的光束亮度变小，减小的因子为光束质量因子 M2在x和y方向分量的乘积。 还有一个定义为光功率除以 M2因子，没有考虑波长。对于衍射极限光束，这一值等于光功率，通常来讲，用其描述在特定孔径和工作距离（有限光束发散角）时焦点处最大光强是非常恰当的。 亮度是描述激光光束整体的性质，而不是描述某一空间变化的量，例如强度。 还存在另一个不同的量为光谱亮度。而有些作者有时只提及亮度是非常容易混淆的。另外还有相对亮度，这只是一个定性的量，与照度有关。 提高亮度 激光器（光学泵浦）的一个重要特性是产生的激光光束的亮度比泵浦光源的亮度大很多，而输出功率低于泵浦功率，光束质量则比泵浦光源高很多。这种激光器也被称为亮度转换器，尤其是当这一功能在应用中是主要的特点。 采用低亮度泵浦光源 在光学泵浦激光器的发展过程中，需要采用低亮度的泵浦光源，因为这一光源在给定输出功率情况下通常比较便宜。例如，大面积激光二极管（也叫做高亮度激光二极管）在单位瓦特的输出功率时的成本比二极管线阵高。然而，低亮度泵浦在激光器设计中也会产生许多不利的效应。并且在不同的条件下产生的效应也不同，在这种情况下，可达到的输出功率、功率效率、脉冲长度或者脉冲重复速率都会比较低。 这一限制可以与能量转换过程中的熵问题对比理解：熵增加过程可能不会直接造成能量损耗，但是会间接的损耗可用能量。由于光束质量下降而导致亮度减小表示很少模式的光辐射拓展到多个模式中，这确实会提高熵。但是，性能变差并不总是与熵问题直接相关，还部分与增益介质能实现的物理参数以及几何问题相关。
衍射光栅(diffraction gratings)
定义：包含周期性结构使光束发生衍射的光学元件。 衍射光栅是对光进行衍射的光学装置。它包含了一个周期性结构，引起空间振幅或者相位变化。常见的是反射光栅，其中反射表面具有周期性结构，产生的相位变化与位置有关。还存在透射光栅，这时透射光栅的相位变化与位置有关，也是由于存在表面的周期结构。 图1：高功率超连续光源出射的白光，通过衍射光射后在空间上分散开从而可以显示其光谱含量。采用烟雾机可以看到光束路径。 目录 衍射光栅细节描述 有时需要考虑光栅引起的与位置有关的相位变化的空间频率。对于最简单的正弦相位变化，只存在两个空间频率部分为±2π / d，其中d是光栅结构的周期。 入射角为θ的光在光栅平面的波矢分量为k • sin θ，其中 k = 2π / λ ， λ 是光波长。正常的反射会得到反射光的波矢分量为−k • sin θ。由于光栅的相位调制，反射光还包含另一个平面波矢分量为−k • sin θ ± 2π / d的部分。它对应的是衍射级为±1。因此，可以得到出射光与法线之间的夹角满足： 图2：光栅各级衍射光束。 如果光栅的相位变化不是正弦形状，这时存在多级衍射，出射角可以由下面这个更一般的公式来计算： 对于衍射级可以采用不同的符号规则，因此有些项的前面可能会有负号。 从上面方程可能会得到sin θout 值大于1，这时对应的衍射级是不存在的。图2给出了一个例子，只有衍射级-1~+3是存在的。 图3：反射光束的输出角度与波长的关系。入射光束具有固定的入射角为 25°。 图3中的光栅周期为每毫米800条，曲线描述的是出射角随波长的变化。对于零级衍射（纯反射，m=0），角度是常数，而其它阶的角度则随着波长变化而发生变化。例如二阶衍射m=2，只有当波长小于560 nm时才会发生。 图4表明衍射级的数目与波长和衍射光栅周期比值的关系，以及与入射角的关系。波长越短，光栅周期越大，对应的衍射级的数目越大。 图4：非零级衍射光栅的彩色编码数与波长除以光栅周期的关系。 Littrow结构 在Littrow结构的反射光栅中，衍射光栅（通常为一级光束）沿着入射光束方向返回。因此满足条件： 这种结构通常用于，例如作为激光器谐振腔的端反射镜。一个给定的光栅方向可以确定激光介质的增益带宽内的某一波长，在该波长处谐振腔光束路径是闭合的，也就是说，可以实现激光产生。这项技术可用于波长调谐激光器中，例如，外腔二极管激光器。 光谱分辨率和光束半径 在光栅光谱仪中，利用了从衍射光栅得到的光束方向与波长有关这一性质。这时波长分辨率不仅与角色散（单位为微弧度每纳米）有关，还依赖于光束发散角：发散角越小，能越精确的得到角度变化。因此，高的波长分辨率需要在光栅上的照明光斑很大。相对波长分辨率Δλ / λ处于的 1 / (m N)量级，其中m为衍射级数，N是照射的光栅刻槽数目。 输出功率在各级衍射光束中的分布 弄清楚输出功率在各级衍射光束中的分布是非常重要的。换句话说，需要确定某一级光束的衍射效率。这依赖于与波长有关的相位变化的形状。通常情况下，可以采用不同的衍射理论来计算衍射效率。 可以优化衍射光栅使几乎所有的光功率都分布在某一级衍射光束上，因此在该级的衍射效率很高。这称为闪耀光栅（小阶梯光栅），这时相位变化可以采用锯齿波函数表示。在给定的入射角度和波长条件下，需要调节光栅表面的斜率来优化光栅。在上面所述的Littrow结构中，结构的线性部分与入射光的波前是平行的。 光栅的制备方法 可以采用以下方法来制备光栅： 还可以在棱镜上制备衍射光栅，棱镜与光栅结合起来的结构称为棱栅（grism）。可以选择合适的参数，例如具有特定波长的光，使其无偏斜的透过棱栅。 另外还可以在介质反射镜表面制备光栅结构，得到具有很高反射率的反射光栅。 衍射光栅的应用 衍射光栅具有很多种应用。下面给出一些主要的例子：
平顶光束(flat-top beams)
定义：光束具有平的强度截面。 平顶光束是指激光光束（通常为经过转换的激光光束）强度截面很大区域内是平的。这与高斯光束不同，高斯光束的强度是从最大值沿着光束轴向外平缓的减小为0. 在有些激光器应用中需要采用这种类型的光束。例如，在处理半导体晶圆或者其它材料时在某些区域需要强度为常数。另外，在高功率时的非线性频率转换过程中，如果采用平顶光束效率会更高。通常，平顶光束边沿比较平滑，因此可近似看做超高斯型，而不是矩形。 图1：平顶光束（红色）与高斯光束（绿色）和超高斯强度分布（蓝色）的对比。三束光的功率相同，有效模式面积相等。 平顶光束的传播 与高斯光束不同的是，平顶光束不是自由空间的模式。也就是说光束在自由空间中传播时，强度形状会发生变化。强度曲线的边缘越陡，变化越大。图2是模拟的初始为超高斯光束形状的光束的传播情况。 图2：初始为超高斯形状的光束在自由空间中传播的演化情况。光束首先被压缩，后来又展开，边缘非常平滑。以上情况下的颜色选取是基于光束轴向饱和时颜色是相同的这一前提。实际上，随着光束的扩展，强度变小。 实际应用时光束形状的变化可以忽略不计。对于具有更大直径以及边缘变化不剧烈的光束，其大小和形状近似为不变。 产生平顶光束 通常需要先从激光器中得到一束高斯光束，然后采用一些合适的光学元件改变其强度形状得到平顶光束。有许多种光束整形器可以改变光束形状。例如，可以采用多个非球面透镜，或者一些衍射光学器件。采用非球面透镜，得到的光束形状非常平坦并且功率效率很高，以及很高的损伤阈值，这在调Q激光器中非常重要。
光通量(fluence)
定义：单位面积上的光能量。 在基础物理中通量被定义为一些辐射或粒子流的时间积分量。在光学中，光脉冲的光通量F被定义为单位面积上输送的光能。其最常见的单位是J / cm2。 与光强一样，光通量也是一个与位置相关的数值。对于激光而言，光通量通常在光轴处最大，在远离光轴的地方则会降低。 在某些情况下，对光通量的最大值更为感兴趣。对于高斯光束，峰值的光通量为总光能量除以π w2 / 2，其中w是高斯光束的光束半径。 如果知道与时间相关的光强，则可以通过对脉冲的时域积分得到光通量。 光通量的用途 当一个强的超短脉冲使得激光晶体或者有源光纤发生增益饱和时，其脉冲脉宽通常远小于上能级寿命。饱和的程度只取决于脉冲光通量，而不是光强的时间分布。增益介质的一个重要特性就是它的饱和通量。 对于慢的可饱和吸收体，也会发生与增益介质类似的情况。 在激光脉冲导致激光损伤的情况下，损伤阈值也常被成为光通量。然而损伤阈值并不是一个与脉冲脉宽无关的量，通常情况下，临界的光通量随着脉冲脉宽的上升而上升。
焦距(focal length)
定义：衡量光学系统聚焦或者使光散焦程度的量。 很多类型的光学系统（例如，显微镜吴静和弯曲的激光器反射镜）都可以聚焦或者使光散焦，焦距就是量化这些效应的量。最简单的情形为薄透镜（图1a）。如果入射到透镜的光是一束准直光束，经过透镜后光束会发生聚焦，这时焦距就是从透镜到焦点的距离（假设棱镜是处于真空或者空气中，而不是处于折射率很高的物质中）。而对于散焦透镜（图1b），焦距则是从透镜到虚焦点（采用虚线表示）的距离，是负值。 图1：聚焦和散焦透镜的焦距。散焦透镜的焦距为负值。 目录 透镜的焦距 可以采用下列方程计算透镜的屈光度和焦距，透镜材料的折射率为n，两表面的曲率半径分别为R1和R2： 凸面的曲率半径为正数，而凹面的曲率半径则是负值。聚焦透镜得到的结果为正值，结果为负值则对应的为散焦透镜。后面的一项只有当棱镜很厚，两面曲率半径都很大时才需要考虑。 这一方程适宜于傍轴光线情形，即光线离对称轴不远的情况。 曲面镜的焦距 经常采用曲面镜聚焦或者散焦光束。例如，在激光器谐振腔，具有电介质涂层的激光反射镜比普通的透镜更适用，主要是因为反射镜损耗更小。 当光轴垂直于反射镜表面时，表面曲面半径为R的反射镜的焦距f = R / 2。（正号代表凸面和聚焦反射镜。）如果光轴与表面法线方向夹角 θ 不为0，那么切向（入射平面）的焦距为 ftan = (R / 2) • cos θ，矢状方向的焦距为 fsag = (R / 2) / cos θ 。 激光反射镜的曲面半径通常在10 mm到5 m之间。如果曲面半径非常小，制备介质涂层会非常困难，但是采用精细的工艺也可以得到仅为几毫米焦距的反射镜，这在一些微型激光器中会用到。 光学系统的焦距 一个光学系统可能包含多个透镜和其它光学元件，因此不能采用上面定义的焦距，因为不能明确应计算何处到焦点的距离：是从光学系统的起点、终点、中点还是其它位置？原则上可以采用任意的参考点，但是这时有些原理不能使用，这些原理在具有特定焦距的透镜焦点处光束束腰半径是适用的，或者望远镜的放大倍数等。有人采用前焦距来表示焦点与光学元件的前表面之间的距离。 照相物镜的有效焦距 在照相术中，有效焦距具有非常不同的意义，下面我们详细解释一下。 照相机的视角由胶片上像的尺寸与焦距的比值决定。胶片相机一直采用35 mm胶片（根据ISO标准1007也称为135胶片），胶片上像的尺寸为标准的36 mm × 24 mm。（胶卷轴的宽度为35mm，比24 mm大是为了使图像不会扩展到卷轴的边缘。）这时物镜的焦距为标准的50 mm。然而现在的数码相机（尤其是尺寸小的）通常包含尺寸小于36 mm × 24 mm的像传感器，因此为了得到相同的视场，对应的物镜焦距也比较小（例如32 mm）。许多摄影师仍然习惯采用常用的焦距与视角的比值，因此常用有效焦距来表征数码相机的焦距，此时的焦距数码相机的视场与与普通35 mm胶片的视场相同。例如，实际焦距为32 mm也可以说成标准物镜的有效焦距为50 mm。 随着越来越少的人采用35 mm胶片，这一转换过程以后可能不会采用。 焦距可调的光学系统 在有些系统中，尤其是聚焦成像系统，需要光学系统的焦距是可调的。可以采用下面的原理： 与波长有关的焦距 普通透镜是利用光的折射，由于折射率与波长有关（色散），因此焦距也与波长相关。这一效应会使成像系统产生色差，在工作于宽波长区域的光学系统中也存在类似的问题。可以设计采用多个透镜（例如，照相机的物镜）来使色差最小化。最常用的做法是采用消色差双合透镜，即由两种材料组成的透镜，这样总体色差很大部分的被抵消了。 也可以只采用包含反射镜的光学系统来消除色差。曲面半径为R的曲面镜的焦距为 f = R / 2 ，只由几何形状决定，而与波长无关。但是，在非正交入射的情况下，切平面的焦距与入射角余弦成正比，矢状面与入射角余弦的倒数成正比。因此这种系统会产生像散。 屈光本领 透镜的屈光本领等于焦距的倒数。表明强聚焦的透镜焦距小，但是屈光本领大。屈光本领的单位为m−1，也称为屈光度（dpt）。对于验光眼镜，常用屈光本领来表征，这时焦距指的是标准透镜，显微镜物镜和照相物镜的焦距。 很多情况下，屈光本领是比焦距更常用的量。例如，激光晶体中热透镜的屈光本领正比于耗散功率。采用热透镜屈光本领表示的激光器谐振腔稳定区域的宽度与激光晶体的最小模式半径和光波长都有关系，而用焦距表征的稳定区域与参数之间的关系更加复杂。 发散光束的聚焦 图2：透镜方程的图解。 发散光束入射到聚焦透镜上时，焦点距离透镜的距离比f大（图2）。透镜方程可写为： 其中a是入射光束的焦点与透镜之间的距离。当a >> f时，有b ≈ f，而其它情况下，则有b > f 。这一关系可以这样直观的理解：使入射光束准直（即消除光束发散）需要聚焦能力为1 / a，这样只需聚焦能力为 1 / f − 1 / a可将光束聚焦。 如果a ≤ f，以上方程不成立，透镜则不能使光束聚焦。 在射线情况下，傍轴近似满足时透镜方程成立。 …
菲涅尔方程(Fresnel equations)
定义：描述两透明各向同性介质截面处透射系数和反射系数幅值的方程。 菲涅尔方程是描述两透明各向同性介质截面处透射系数和反射系数幅值的方程： 图1：两介质截面处的折射过程 其中n1 和n2 是两介质的折射率。对应的传播角度（与法线的夹角）为 θ1 和 θ2（见图1）。例如，s偏振（电场矢量与入射平面垂直）透射系数大小为ts。 功率反射系数是对应反射系数大小的平方。而透射功率系数，考虑到不同的传播角度，需要在前面加一个系数(n2 cos θ2) / (n1 cos θ1)。 图2：s和p偏振的功率反射率，采用的折射率为1.45. 图2给出了界面处功率反射率与入射角度和偏振态的关系。P偏振在入射角为布儒斯特角时（这里约为55.4°）反射系数变为0.