Istnieje szeroka gama systemów laserowych ogólnego przeznaczenia do różnych zastosowań, takich jak obróbka materiałów, chirurgia laserowa i teledetekcja, ale wiele systemów laserowych ma wspólne kluczowe parametry. Ustalenie wspólnej terminologii dla tych parametrów zapobiega nieporozumieniom, a ich zrozumienie pozwala na właściwą specyfikację systemów i komponentów laserowych, aby spełniały wymagania aplikacji.
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. W przetwarzaniu materiałów różne materiały mają unikalne właściwości absorpcji zależne od długości fali, które powodują różne interakcje z materiałem. Podobnie w teledetekcji absorpcja i zakłócenia atmosferyczne mogą w różny sposób wpływać na pewne długości fal, a w zastosowaniach laserów medycznych różne kompleksy mogą różnie absorbować pewne długości fal. Lasery o krótszej długości fali i optyka laserowa pomagają tworzyć małe, precyzyjne elementy 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 opisania 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).
Lasery o większej mocy i energii są zwykle 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).
4: Częstotliwość powtarzania (typowe jednostki: Hz do MHz)
Częstotliwość powtarzania lub częstotliwość powtarzania impulsów lasera impulsowego opisuje liczbę impulsów emitowanych na sekundę lub 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 jest zwykle zależna od ośrodka wzmacniającego laser, w wielu przypadkach może się różnić. Większa powtarzalność skutkuje krótszymi czasami relaksacji termicznej na powierzchni optycznej lasera i w końcowym ognisku, 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 przeciwieństwie do większości innych typów źródeł światła, lasery powstają w wyniku emisji wzbudzonej. Koherencja maleje w trakcie procesu transmisji, a długość koherencji lasera określa odległość, na której czasowa spójność lasera pozostaje 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. Polaryzację zwykle wyraża się jako stosunek ogniskowych światła w dwóch stanach spolaryzowanych ortogonalnie, na przykład 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 wymiar fizyczny prostopadły do kierunku propagacji. Zwykle definiuje się ją jako szerokość 1/e2, tj. szerokość osiąganą przez 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 również jest 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 o stałej energii. Na wyjściu końcowym systemu (np. podczas cięcia laserowego lub spawania) zwykle wymagana jest duża gęstość mocy/energii, ale w systemie niska koncentracja mocy/energii jest zwykle korzystna w zapobieganiu 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 rozciągać wiązki zbyt mocno, aby nie zasłoniła ona otworu systemu, co mogłoby spowodować 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, które spełniają odpowiednio funkcje Gaussa i płaskiej góry (rysunek 4). Jednakże, ponieważ wewnątrz lasera zawsze występuje pewna liczba gorących punktów lub fluktuacji, żaden laser nie jest w stanie wytworzyć wiązki w pełni gaussowskiej lub całkowicie płaskiej, która dokładnie odpowiada jej funkcji własnej. Różnicę między rzeczywistym profilem wiązki lasera a idealnym profilem wiązki opisuje się zwykle za pomocą metryki zawierającej współczynnik M2 lasera.
10: Rozbieżność (typowa jednostka: mrad)
Chociaż wiązki laserowe są ogólnie uważane za skolimowane, zawsze zawierają one pewną rozbieżność, 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 istotnym problemem. Rozbieżność wiązki jest zwykle definiowana jako półkąt lasera, a rozbieżność (θ) wiązki Gaussa jest definiowana jako.
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 skupiających. W wielu zastosowaniach, takich jak obróbka materiałów i chirurgia medyczna, celem jest zminimalizowanie rozmiaru plamki. Maksymalizuje to gęstość mocy i umożliwia tworzenie wyjątkowo precyzyjnych elementów (rysunek 5). Soczewki asferyczne są często używane zamiast konwencjonalnych 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 (typowa jednostka: µm do m)
Odległość roboczą systemu laserowego definiuje się ogólnie 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, często dążą do minimalizacji odległości roboczej, podczas gdy inne zastosowania, takie jak teledetekcja, często mają na celu maksymalizację zakresu odległości roboczej.
