功率谱密度 (Power Spectral Density, PSD) 是一个非常有用的概念，适用于多种类型的光学器件，在激光核聚变等极端应用领域已被证明是一个非常有价值的指标。这一规范也可应用于高能激光光学等要求苛刻的应用领域，它基于测量和分析传统方法无法捕捉的细节信息，对于了解和管理光学表面的质量有很大帮助。
ZYGO之前也有一篇关于PSD介绍的文章，这一次，让我们来分析一下——功率谱密度(PSD)为何这么靠“谱”？
想象一下，您正在检查高能激光系统中用到的平镜或透镜表面。肉眼看上去，这个表面可能很光滑，但在微观层面上，它可能存在各种微小的瑕疵或粗糙度。这些瑕疵可能会散射光线，这对于精确控制激光束是至关重要的应用，是非常不利的。
峰谷值 (PV)、均方根粗糙度 (RMS)、矢高和不规则度等典型光学指标被广泛用于描述光学表面的整体光滑度和形貌。这些指标对一般商业应用非常有效，PV 表示表面最高点和最低点之间的最大高度差，RMS 提供表面偏差的统计平均值，而不规则度则测量与最佳拟合球面的偏差。
然而，这些测量方法只能提供一个有限的视角–它们只提供了一个简要的视角，而无法详细了解不同尺寸大小的表面特征，在整个表面纹理中的分布和组成。由特定尺寸表面纹理引起的某些像差会影响光束的能量分布，这在 高功率激光 应用中尤为重要。图 1 举例说明了这一点。
图 1. 低阶面形误差及其对聚焦光束能量分布的影响示例
另一方面，PSD（通过将表面形貌数据从空间域转换到频域，来分析光学元件的表面特征）通过将表面纹理分解为其组成的空间频率，来提供更详细的分析。
PSD 可以显示每种不同尺寸的表面特征对整体粗糙度的贡献程度，这对于高能激光器等高精度应用至关重要，因为系统效率是能源需求的关键驱动因素，因此也是成本的关键驱动因素。与 PV 或 RMS 等传统指标不同，PSD 允许识别和控制特定类型的表面缺陷，这些缺陷会严重影响激光光束的传播和质量，从而为预测和提高先进应用中的光学性能提供了一个更稳健的框架。
图 2 展示了使用多个干涉仪和原子力显微镜测量的抛光表面 PSD 图。该图涵盖的空间周期范围很广，从 10 毫米到 10 纳米，即六个数量级，提供了有关影响散射和雾度的不同尺度表面误差的强度分布信息。
图 2. 使用干涉仪和原子力显微镜组合测量的复合一维 PSD 信息示例
通过使用 PSD，我们可以确定光学元件的表面光滑或粗糙程度，以便在高能激光系统中发挥卓越性能。这一点非常重要，因为：
高能激光需要非常精确地聚焦非常强烈的光束。即使是少量的散射光也会导致效率低下、性能降低，甚至损坏光学系统的其它部件。PSD 使工程师能够通过控制表面缺陷的类型来了解和限制这种散射。