W różnych zastosowaniach, takich jak obróbka materiałów, chirurgia laserowa, teledetekcja i zwłaszczaZnakowanie laseroweistnieje wiele popularnych systemów laserowych. Wiele z tych systemów laserowych ma wspólne kluczowe parametry. Ustalenie uniwersalnych terminów dla tych parametrów może zapobiec wprowadzaniu w błąd, a zrozumienie tych terminów umożliwi prawidłowe określenie systemów i komponentów laserowych w celu spełnienia potrzeb danej aplikacji.
Ryc. 1: Schemat ideowy popularnego systemu obróbki materiału laserowego, na którym 10 kluczowych parametrów systemu laserowego jest reprezentowanych przez odpowiednie liczby
Długość fali nr 1: Długość fali lasera jest podstawowym parametrem opisującym częstotliwość przestrzenną emitowanej fali świetlnej. Lasery o różnych długościach fal odgrywają rolę w różnych zastosowaniach. W przetwarzaniu materiałów różne materiały mają różne właściwości absorpcji dla różnych długości fal, więc interakcja z materiałem jest również inna. Lasery o krótszej długości fali i optyka laserowa mają zalety w tworzeniu małych i precyzyjnych elementów przy mniejszym nagrzewaniu obwodowym. Urządzenia te są jednak zwykle droższe i delikatniejsze w porównaniu do laserów o większej długości fali.
NR 2 Moc: Moc lasera jest zwykle mierzona w watach (W) i używana do opisania mocy optycznej laserów o fali ciągłej (CW) lub średniej mocy laserów impulsowych. Cechą laserów impulsowych jest to, że ich energia impulsu jest wprost proporcjonalna do średniej mocy i odwrotnie proporcjonalna do częstotliwości powtarzania. Jednostką energii są dżule (J). Dlatego energię impulsu można obliczyć, dzieląc średnią moc przez częstotliwość powtarzania.
Ryc. 2: Wizualna reprezentacja zależności między energią impulsu, częstotliwością powtarzania i średnią mocą laserów impulsowych Lasery o wyższej mocy i energii są na ogół droższe i generują więcej ciepła odpadowego. Wraz ze wzrostem mocy i energii utrzymanie wysokiej jakości wiązki staje się coraz trudniejsze.
NR 3 Czas trwania impulsu:Czas trwania impulsu lub szerokość impulsu lasera definiuje się zwykle jako czas potrzebny laserowi do osiągnięcia połowy (FWHM) maksymalnej mocy optycznej. Ultraszybkie lasery charakteryzują się krótkim czasem trwania impulsu, od pikosekund (10-12 sekund) do attosekund (10-18 sekund).
Ryc. 3: Odstęp między impulsami lasera impulsowego jest odwrotnością częstotliwości powtarzania
NR 4 Częstotliwość powtarzania:Częstotliwość powtarzania lasera impulsowego opisuje liczbę impulsów emitowanych na sekundę, która jest odwrotnością odstępu czasu między impulsami. Wbrew temu, co wspomniano wcześniej, częstotliwość powtarzania jest odwrotnie proporcjonalna do energii impulsu i wprost proporcjonalna do średniej mocy. Większa częstotliwość powtarzania oznacza, że czas relaksacji termicznej powierzchni laserowego elementu optycznego i końcowego ogniska jest krótszy, a zatem szybkość nagrzewania materiału jest większa.
Długość spójności nr 5:Lasery charakteryzują się spójnością, co oznacza, że istnieje stała zależność pomiędzy wartościami fazowymi pola elektrycznego w różnych momentach lub pozycjach. Cecha ta wynika z faktu, że lasery powstają w wyniku emisji wymuszonej, która różni się od większości innych typów źródeł światła. Chociaż spójność lasera będzie stopniowo słabnąć w trakcie propagacji, długość koherencji lasera określa odległość, przy której jego spójność czasowa pozostaje na pewnym poziomie.
Nr 6 Polaryzacja:Polaryzacja określa kierunek pola elektrycznego fali świetlnej, który jest zawsze prostopadły do kierunku propagacji. W większości przypadków laser jest spolaryzowany liniowo, co oznacza, że emitowane pole elektryczne jest zawsze skierowane w tym samym kierunku. Natomiast światło niespolaryzowane będzie wytwarzać pola elektryczne skierowane w wielu różnych kierunkach. Polaryzację zwykle wyraża się jako stosunek mocy światła pomiędzy dwoma ortogonalnymi stanami polaryzacji, na przykład 100:1 lub 500:1.
NR 7 Średnica belki: Średnica wiązki lasera opisuje boczne wydłużenie wiązki, to znaczy wielkość fizyczną prostopadłą do kierunku propagacji. Zwykle średnicę wiązki definiuje się przy szerokości 1/e², czyli punkcie, w którym natężenie wiązki osiąga 1/e² (około 13,5%) wartości maksymalnej. W tym momencie natężenie pola elektrycznego spada do 1/e (około 37%) wartości maksymalnej. Im większa średnica wiązki, tym większe elementy optyczne i cały system są potrzebne, aby uniknąć przycinania wiązki, co skutkuje zwiększonymi kosztami. Jednakże zmniejszenie średnicy wiązki spowoduje zwiększenie gęstości mocy/energii, co również będzie miało niekorzystne skutki.
NR 8 Moc lub gęstość energii: Moc lub gęstość energii odnosi się do mocy wiązki lub energii na jednostkę powierzchni. Średnica wiązki jest ściśle powiązana z gęstością mocy/energii. Gdy moc lub energia wiązki pozostaje stała, im większa średnica wiązki, tym mniejsza gęstość mocy/energii. Ogólnie rzecz biorąc, lasery o dużej gęstości mocy/energii są idealnym rozwiązaniem końcowym systemu, na przykład w zastosowaniach związanych z cięciem laserowym lub spawaniem laserowym. Jednakże lasery o niskiej mocy/gęstości energii są korzystne dla systemu wewnętrznie, mogą zmniejszyć uszkodzenia powodowane przez lasery i zapobiegać jonizacji powietrza w obszarze wiązki o dużej mocy/wysokiej gęstości energii.
Profil belki nr 9: Profil belki opisuje intensywność rozkładu belki na przekroju. Typowe profile belek obejmują belki Gaussa i belki o płaskiej górze, a ich profile belek odpowiadają odpowiednio funkcjom Gaussa i płaskowyżu. Jednakże, ponieważ wewnątrz lasera zawsze występuje pewna liczba gorących punktów lub oscylacji, żaden laser nie jest w stanie wytworzyć idealnej wiązki Gaussa ani doskonałej wiązki o płaskiej górze, która idealnie pasuje do idealnego profilu wiązki. Różnicę między rzeczywistym profilem wiązki lasera a idealnym profilem wiązki opisuje się zwykle wieloma wskaźnikami pomiarowymi (w tym współczynnikiem M² lasera).
NR 10 Rozbieżność:Chociaż ludzie zwykle myślą, że wiązka lasera to światło skolimowane, w rzeczywistości wiązka lasera zawsze będzie miała pewien stopień rozbieżności. Rozbieżność opisuje stopień dyfuzji wiązki w stosunku do talii wiązki po propagacji na duże odległości w wyniku dyfrakcji. W zastosowaniach wymagających dużych odległości roboczych, takich jak laserowe systemy radarowe, gdzie cel i system laserowy mogą być oddalone od siebie o setki metrów, rozbieżność staje się szczególnie ważnym problemem. Rozbieżność wiązki jest zwykle definiowana przez półkąt lasera, a kąt rozbieżności (θ) wiązki Gaussa jest definiowany jako λ to długość fali lasera, a w0 to talia wiązki lasera.
NR 11 Rozmiar plamki: Rozmiar plamki opisuje średnicę plamki skupionej wiązki lasera, znajdującej się w ognisku układu soczewek skupiających. W wielu zastosowaniach, takich jak obróbka materiałów i chirurgia medyczna, naszym celem jest zminimalizowanie rozmiaru plamki. Może to zmaksymalizować gęstość mocy i stworzyć szczególnie doskonałe funkcje. Soczewki asferyczne są często używane do zastąpienia tradycyjnych soczewek sferycznych w celu zmniejszenia aberracji sferycznych i zmniejszenia rozmiaru plamki. W niektórych typach systemów laserowych laser ostatecznie nie skupia lasera w punkcie, więc w tym przypadku ten parametr nie ma zastosowania.
Ryc. 5: Eksperymenty z mikroobróbką laserową we Włoskim Instytucie Technologii pokazują, że skuteczność ablacji nanosekundowego systemu wiercenia laserowego wzrasta dziesięciokrotnie, gdy rozmiar plamki zmniejsza się z 220 mikronów do 9 mikronów przy stałym strumieniu.
