Obstaja široka paleta običajnih laserskih sistemov, ki se uporabljajo v različnih aplikacijah, kot so obdelava materialov, laserska kirurgija in daljinsko zaznavanje, vendar ima veliko laserskih sistemov skupne ključne parametre. Vzpostavitev skupne terminologije za te parametre preprečuje komunikacijske napake, njihovo razumevanje pa omogoča pravilno določitev laserskega sistema in komponent za izpolnjevanje aplikacijskih zahtev.
Slika 1: Shematski diagram običajnega laserskega sistema za obdelavo materiala, kjer je vsak od 10 ključnih parametrov laserskega sistema predstavljen z ustrezno številko
Osnovni parametri
Naslednji osnovni parametri so najosnovnejši koncepti laserskih sistemov in so prav tako ključni za razumevanje naprednejših točk
1: Valovna dolžina (tipične enote: nm do um)
Valovna dolžina laserja opisuje prostorsko frekvenco oddanega svetlobnega vala. Optimalna valovna dolžina za določen primer uporabe je zelo odvisna od uporabe. Različni materiali bodo imeli pri obdelavi materiala edinstvene absorpcijske lastnosti, odvisne od valovne dolžine, kar bo povzročilo različne interakcije z materialom. Podobno bodo atmosferska absorpcija in motnje različno vplivale na določene valovne dolžine pri daljinskem zaznavanju, različni kompleksi pa bodo različno absorbirali določene valovne dolžine pri medicinskih laserskih aplikacijah. Laserji s krajšo valovno dolžino in laserska optika so koristni za ustvarjanje majhnih in natančnih funkcij z minimalnim perifernim segrevanjem, ker je žarišče manjše. Vendar pa so na splošno dražji in bolj dovzetni za poškodbe kot laserji z daljšo valovno dolžino.
2: Moč in energija (tipične enote: W ali J)
Moč laserja se meri v vatih (W) in se uporablja za opis izhodne optične moči laserja z neprekinjenim valovanjem (CW) ali povprečne moči impulznega laserja. Za pulzne laserje je značilna tudi energija impulza, ki je sorazmerna s povprečno močjo in obratno sorazmerna s hitrostjo ponovitve laserja (slika 2). Energija se meri v joulih (J).
Slika 2: Vizualni prikaz razmerja med energijo impulza, hitrostjo ponavljanja in povprečno močjo impulznega laserja
Laserji z večjo močjo in energijo so na splošno dražji in proizvajajo več odpadne toplote. Z naraščanjem moči in energije postaja vse težje tudi ohranjati kakovost dolgih luči.
3: Trajanje impulza (tipične enote: fs do ms)
Trajanje laserskega impulza ali širina impulza je običajno opredeljena kot polna širina na polovici maksimuma (FWHM) laserske optične moči v odvisnosti od časa (slika 3). Ultrahitri laserji ponujajo številne prednosti v številnih aplikacijah, vključno z natančno obdelavo materialov in medicinskimi laserji. Zanje je značilno kratko trajanje impulza reda velikosti od pikosekund (10-12 sekund) do atosekund (10-18 in manj
P(W)
1/stopnja ponavljanja
Čas nakupa javnega računa
Slika 3: Impulzi impulznega laserja so časovno ločeni z inverzno hitrostjo ponavljanja
4: Hitrost ponavljanja (tipične enote: Hz do MHz)
Hitrost ponavljanja ali frekvenca ponavljanja impulza impulznega laserja opisuje število oddanih impulzov na sekundo ali inverzni časovni interval impulza (slika 3). Kot smo že omenili, je hitrost ponavljanja obratno sorazmerna z energijo impulza in neposredno sorazmerna s povprečno močjo. Medtem ko je hitrost ponavljanja na splošno odvisna od medija laserskega ojačanja, se lahko v mnogih primerih razlikuje. Višje stopnje ponavljanja povzročijo krajše čase toplotne relaksacije na površini laserske optike in na končnem žarišču, kar povzroči hitrejše segrevanje materiala.
5: Koherenčna dolžina (tipične enote: milimetri v metre)
Laser je koherenten, kar pomeni, da so električni tokovi v različnih časih ali na različnih lokacijah koherentni. Obstaja fiksno razmerje med faznimi vrednostmi polja. To je zato, ker so laserji, za razliko od večine drugih vrst svetlobnih virov, proizvedeni s stimulirano emisijo. Koherenčna dolžina določa razdaljo, na kateri ostane časovna koherenca laserske svetlobe konstantna med širjenjem laserske svetlobe, brez poslabšanja med procesom.
6: Polarizacija
Polarizacija določa smer električnega polja svetlobnega vala, "vedno je pravokotna na smer širjenja. V večini primerov bo laserska svetloba linearno polarizirana, kar pomeni, da oddano električno polje vedno kaže v isto smer. Nepolarizirana svetloba bo imel električno polje, usmerjeno v veliko različnih smeri, običajno izraženo kot razmerje med optično močjo dveh ortogonalnih polarizacijskih stanj, na primer 100:1 ali 500:1.
Parametri žarka
Naslednji parametri označujejo obliko in kakovost laserskega žarka.
7: Premer žarka (tipične enote: mm do cm)
Premer žarka laserja označuje stransko razširitev žarka ali njegovo fizično velikost pravokotno na smer širjenja. Običajno je definirana kot širina 1/e2, kar je širina jakosti žarka do 1/e2 (=13,5 %). V točki 1/e2 jakost električnega polja pade na 1/e (=37%). Večji kot je premer žarka, večja mora biti optika in celoten sistem, da se izognemo okrnitvi žarka, ki poveča stroške. Vendar pa zmanjšanje premera žarka poveča gostoto moči/energije, kar je lahko tudi škodljivo.
8: Moč ali gostota energije (tipične enote: W/cm2 do MWicm2 ali uJ/cm2 do J/cm2)
Premer žarka je povezan z gostoto moči/energije laserskega žarka. Gostota energije ali količina optične moči/energije na enoto površine. Večji kot je premer žarka, nižja je gostota moči/energije žarka za konstantno moč ali energijo. Visoka gostota moči/energije je pogosto zaželena pri končnem izhodu sistema (na primer pri laserskem rezanju ali varjenju), vendar so nizke koncentracije moči/energije pogosto koristne znotraj sistema za preprečevanje poškodb, ki jih povzroči laser. To prav tako preprečuje, da bi območja visoke gostote moči/energije žarka ionizirala zrak. Iz teh razlogov se med drugim pogosto uporabljajo ekspanderji laserskega žarka za povečanje premera in s tem zmanjšanje gostote moči/energije v laserskem sistemu. Vendar je treba paziti, da žarka ne razširite preveč, da bi bil blokiran pred odprtinami v sistemu, kar bi povzročilo izgubljeno energijo in morebitno škodo.
9: Profil žarka
Profil žarka laserja opisuje porazdeljeno intenzivnost po prečnem prerezu žarka. Skupni profili žarkov vključujejo Gaussove žarke in žarke z ravnim vrhom, katerih profili žarkov sledijo Gaussovi funkciji oziroma funkciji s ploščatim vrhom (slika 4). Vendar pa noben laser ne more proizvesti popolnoma Gaussovega žarka ali žarka s popolnoma ravnim vrhom s profilom žarka, ki natančno ustreza njegovi značilni funkciji, ker je znotraj laserja vedno določena količina vročih točk ali nihanj. Razlika med dejanskim profilom žarka laserja in idealnim profilom žarka je pogosto opisana z metriko, vključno z laserskim faktorjem M2
Gaussov profil in profil z ravnim vrhnjim žarkom
Slika 4: Primerjava profilov žarka Gaussovega žarka in žarka z ravnim vrhom enake povprečne moči ali intenzitete kaže, da je najvišja intenziteta Gaussovega žarka dvakrat večja od žarka z ravnim vrhom
10: Divergenca (tipične enote: mrad)
Čeprav se laserski žarki pogosto obravnavajo kot kolimirani, vedno vsebujejo določeno količino divergence, ki opisuje stopnjo, do katere se žarek zaradi uklona razhaja na naraščajočih razdaljah od pasu laserskega žarka. Pri aplikacijah na velike delovne razdalje, kot so sistemi LiDAR, kjer so lahko predmeti več sto metrov oddaljeni od laserskega sistema, postane divergenca še posebej pomembno vprašanje. Divergenca žarka je pogosto definirana s polovičnim kotom laserja, divergenca Gaussovega žarka (0) pa je definirana kot:
W je valovna dolžina laserja in w0 je pas žarka laserja
Končni sistemski parametri
Ti končni parametri opisujejo delovanje laserskega sistema na izhodu
11: Velikost točke (tipične enote: um)
Velikost točke fokusiranega laserskega žarka opisuje premer žarka v gorišču sistema leč za fokusiranje. V številnih aplikacijah, kot sta obdelava materialov in medicinska kirurgija, je cilj zmanjšati velikost točke. To maksimira gostoto moči in omogoča ustvarjanje posebej finih funkcij (slika 5). Asferične leče se pogosto uporabljajo namesto tradicionalnih sferičnih leč za zmanjšanje sferičnih aberacij in manjše velikosti goriščne točke. Nekatere vrste laserskih sistemov ne usmerijo laserja na točko, v tem primeru ta parameter ne velja.
Slika 5: Eksperimenti laserske mikroobdelave na italijanskem tehnološkem inštitutu kažejo 10-kratno povečanje učinkovitosti ablacije v nanosekundnem laserskem vrtalnem sistemu, ko se velikost točke zmanjša z 220 um na 9 um pri konstantnem pretoku
12: Delovna razdalja (tipične enote: um do m)
Delovna razdalja laserskega sistema je običajno definirana kot fizična razdalja od končnega optičnega elementa (običajno leče za fokusiranje) do predmeta ali površine, na katero je laser fokusiran. Nekatere aplikacije, kot so medicinski laserji, si običajno prizadevajo čim bolj zmanjšati delovno razdaljo, medtem ko si druge, kot je daljinsko zaznavanje, običajno prizadevajo povečati obseg delovne razdalje.
