Istnieje szeroka gama popularnych systemów laserowych do różnych zastosowań, w tym do obróbki materiałów, chirurgii laserowej i teledetekcji, ale wiele systemów laserowych ma wspólne kluczowe parametry. Ustalenie wspólnej terminologii dla tych parametrów zapobiega nieporozumieniom, a zrozumienie ich pozwala na właściwą specyfikację systemów i komponentów laserowych w celu spełnienia wymagań aplikacji.
Rysunek 1: Schemat powszechnego systemu obróbki materiału laserowego, gdzie każdy z 10 kluczowych parametrów systemu laserowego jest reprezentowany przez odpowiednią liczbę
Podstawowe parametry
Poniższe podstawowe parametry są najbardziej podstawowymi koncepcjami systemu laserowego i są niezbędne do zrozumienia bardziej zaawansowanych punktów.
1: Długość fali (typowe jednostki: nm do µm)
Długość fali lasera opisuje częstotliwość przestrzenną emitowanej fali świetlnej. Optymalna długość fali dla danego przypadku użycia jest w dużym stopniu zależna od zastosowania. Różne materiały będą miały unikalne właściwości absorpcji zależne od długości fali podczas przetwarzania materiału, co skutkuje różnymi interakcjami z materiałem. Podobnie absorpcja i zakłócenia atmosferyczne będą w różny sposób wpływać na pewne długości fal w teledetekcji, a różne kompleksy będą różnie absorbować pewne długości fal w zastosowaniach lasera medycznego. Lasery o krótszej długości fali i optyka laserowa ułatwiają tworzenie małych, precyzyjnych elementów przy minimalnym nagrzewaniu obwodowym, ponieważ plamka ogniskowa jest mniejsza. Są jednak zazwyczaj droższe i łatwiej ulegają uszkodzeniu niż lasery o większej długości fali.
2: Moc i energia (typowe jednostki: W lub J)
Moc lasera mierzona jest w watach (W) i służy do scharakteryzowania mocy optycznej lasera o fali ciągłej (CW) lub średniej mocy lasera impulsowego. Lasery impulsowe charakteryzują się także energią impulsu, która jest proporcjonalna do średniej mocy i odwrotnie proporcjonalna do częstotliwości powtarzania lasera (rysunek 2). Energię mierzy się w dżulach (J).
Rysunek 2: Wizualna reprezentacja zależności pomiędzy energią impulsu, częstotliwością powtarzania i średnią mocą lasera impulsowego
Lasery o większej mocy i energii są zazwyczaj droższe i wytwarzają więcej ciepła odpadowego. Utrzymanie jakości świateł drogowych staje się coraz trudniejsze wraz ze wzrostem mocy i energii.
3: Czas trwania impulsu (typowe jednostki: fs do ms)
Czas trwania impulsu laserowego lub szerokość impulsu jest zwykle definiowana jako pełna szerokość w połowie maksimum (FWHM) mocy światła lasera w funkcji czasu (rysunek 3). Ultraszybkie lasery oferują wiele korzyści w szeregu zastosowań, w tym w precyzyjnej obróbce materiałów i laserach medycznych, i charakteryzują się krótkim czasem trwania impulsu od około pikosekund (10-12 sekund) do attosekund (10-18 sekund).
Rysunek 3: Impulsowe impulsy laserowe rozdzielone w czasie przez odwrotność częstotliwości powtarzania
4: Częstotliwość powtarzania (typowe jednostki: Hz do MHz)
Częstotliwość powtarzania lub częstotliwość powtarzania impulsów lasera impulsowego opisuje liczbę impulsów emitowanych na sekundę lub odwrotny odstęp czasu między impulsami (rysunek 3). Jak wspomniano wcześniej, częstotliwość powtarzania jest odwrotnie proporcjonalna do energii impulsu i wprost proporcjonalna do średniej mocy. Chociaż częstotliwość powtarzania zwykle zależy od ośrodka wzmacniającego laser, w wielu przypadkach może się różnić. Większa powtarzalność skutkuje krótszymi czasami relaksacji termicznej na powierzchni optyki lasera i w końcowym punkcie ogniskowania, co prowadzi do szybszego nagrzewania materiału.
5: Długość spójności (typowe jednostki: milimetry na metry)
Lasery są spójne, co oznacza, że istnieje stała zależność pomiędzy wartościami fazowymi pola elektrycznego w różnych momentach i lokalizacjach. Dzieje się tak dlatego, że w odróżnieniu od większości innych typów źródeł światła, lasery powstają w wyniku emisji wzbudzonej. Spójność ulega degradacji w trakcie procesu propagacji, a długość spójności lasera określa odległość, na której czasowa spójność lasera utrzymuje się na określonym poziomie.
6: Polaryzacja
Polaryzacja określa kierunek pola elektrycznego fali świetlnej, który jest zawsze prostopadły do kierunku propagacji. W większości przypadków laser będzie spolaryzowany liniowo, co oznacza, że emitowane pole elektryczne jest zawsze skierowane w tym samym kierunku. Światło niespolaryzowane będzie miało pole elektryczne skierowane w wielu różnych kierunkach. Stopień polaryzacji wyraża się zwykle jako stosunek ognisk światła w dwóch stanach spolaryzowanych ortogonalnie, np. 100:1 lub 500:1.
Parametry belki
Poniższe parametry charakteryzują kształt i jakość wiązki laserowej.
7: Średnica belki (typowe jednostki: mm do cm)
Średnica wiązki lasera charakteryzuje boczne wydłużenie wiązki, czyli jej wymiar fizyczny prostopadły do kierunku propagacji. Zwykle definiuje się ją jako szerokość 1/e2, którą osiąga natężenie wiązki przy 1/e2 (≈ 13,5%). W punkcie 1/e2 natężenie pola elektrycznego spada do 1/e (≈ 37%). Im większa średnica wiązki, tym większa musi być optyka i cały system, aby uniknąć obcięcia wiązki, co zwiększa koszty. Jednakże zmniejszenie średnicy wiązki zwiększa gęstość mocy/energii, co może być również szkodliwe.
8: Moc lub gęstość energii (typowe jednostki: W/cm2 do MW/cm2 lub µJ/cm2 do J/cm2)
Średnica wiązki odnosi się do gęstości mocy/energii wiązki laserowej lub mocy/energii optycznej na jednostkę powierzchni. Im większa średnica wiązki, tym niższa gęstość mocy/energii wiązki o stałej mocy lub energii. Na wyjściu końcowym systemu (np. przy cięciu laserowym lub spawaniu) często pożądana jest wysoka gęstość mocy/energii, ale w systemie często korzystna jest niska koncentracja mocy/energii, aby zapobiec uszkodzeniom wywołanym laserem. Zapobiega to również jonizacji powietrza w obszarze wiązki o dużej mocy/gęstości energii. Między innymi z tych powodów często stosuje się ekspandery wiązki laserowej w celu zwiększenia średnicy, a tym samym zmniejszenia gęstości mocy/energii wewnątrz systemu laserowego. Należy jednak zachować ostrożność, aby nie rozszerzyć wiązki tak bardzo, że zostanie ona zasłonięta przez otwory w systemie, co spowoduje straty energii i potencjalne uszkodzenia.
9: Profil belki
Profil wiązki lasera opisuje rozproszone natężenie w przekroju wiązki. Typowe profile belek obejmują belki Gaussa i belki o płaskiej górze, których profile belek odpowiadają odpowiednio funkcjom Gaussa i płaskiej góry (rysunek 4). Jednakże żaden laser nie jest w stanie wytworzyć całkowicie gaussowskiej lub całkowicie płaskiej górnej wiązki o profilu wiązki dokładnie odpowiadającym jego funkcji własnej, ponieważ wewnątrz lasera zawsze występuje pewna liczba gorących punktów lub wahań. Różnicę między rzeczywistym profilem wiązki lasera a idealnym profilem wiązki zwykle opisuje się za pomocą metryki obejmującej współczynnik M2 lasera.
Rysunek 4: Porównanie profilu wiązki wiązki Gaussa o tej samej średniej mocy lub intensywności i wiązki o płaskiej górze pokazuje, że szczytowa intensywność wiązki Gaussa jest dwukrotnie większa niż w przypadku wiązki o płaskiej górze.
10: Rozbieżność (typowe jednostki: mrad)
Chociaż wiązki laserowe są zwykle uważane za skolimowane, zawsze zawierają one pewną ilość rozbieżności, która opisuje stopień, w jakim wiązka odchyla się przy rosnących odległościach od pasa wiązki lasera w wyniku dyfrakcji. W zastosowaniach wymagających dużych odległości działania, takich jak systemy LIDAR, gdzie obiekty mogą znajdować się setki metrów od systemu laserowego, rozbieżność staje się szczególnie ważnym problemem. Rozbieżność wiązki jest zwykle definiowana przez połowę kąta lasera, a rozbieżność (θ) wiązki Gaussa jest definiowana jako:
Zdjęcie.
λ to długość fali lasera, a w0 to szerokość wiązki lasera.
Ostateczne parametry systemu
Te końcowe parametry opisują wydajność systemu laserowego na wyjściu.
11: Rozmiar plamki (typowa jednostka: µm)
Rozmiar plamki skupionej wiązki laserowej opisuje średnicę wiązki w ognisku układu soczewek ogniskujących. W wielu zastosowaniach, takich jak obróbka materiałów i chirurgia medyczna, celem jest zminimalizowanie rozmiaru plamki. Maksymalizuje to gęstość mocy i umożliwia tworzenie wyjątkowo doskonałych funkcji. Soczewki asferyczne są często używane zamiast tradycyjnych soczewek sferycznych, aby zminimalizować aberrację sferyczną i uzyskać mniejsze rozmiary ogniskowych. Niektóre typy systemów laserowych nie skupiają ostatecznie lasera na miejscu i w takim przypadku parametr ten nie ma zastosowania.
12: Odległość robocza (typowe jednostki: µm do m)
Odległość roboczą systemu laserowego definiuje się zwykle jako fizyczną odległość od końcowego elementu optycznego (zwykle soczewki skupiającej) do obiektu lub powierzchni, na której skupia się laser. Niektóre zastosowania, takie jak lasery medyczne, zazwyczaj dążą do minimalizacji odległości roboczej, podczas gdy inne zastosowania, takie jak teledetekcja, zazwyczaj mają na celu maksymalizację zakresu odległości roboczej.
