Obstaja široka paleta običajnih laserskih sistemov za različne aplikacije, vključno z obdelavo materialov, lasersko kirurgijo in daljinskim zaznavanjem, vendar ima veliko laserskih sistemov skupne ključne parametre. Vzpostavitev skupne terminologije za te parametre preprečuje napačno komunikacijo, njihovo razumevanje pa omogoča pravilno specifikacijo laserskih sistemov in komponent za izpolnjevanje aplikacijskih zahtev.
Slika 1: Shema 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 najbolj temeljni koncepti laserskega sistema in so bistveni za razumevanje naprednejših točk.
1: Valovna dolžina (tipične enote: nm do µm)
Valovna dolžina laserja opisuje prostorsko frekvenco oddanega svetlobnega vala. Optimalna valovna dolžina za določen primer uporabe je močno odvisna od aplikacije. 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 olajšajo ustvarjanje majhnih, natančnih funkcij z minimalnim perifernim segrevanjem, ker je žariščna točka manjša. Vendar pa so običajno dražji in se lažje poškodujejo 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 karakterizacijo izhodne optične moči laserja z neprekinjenim valom (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 običajno dražji in proizvajajo več odpadne toplote. Ohranjanje kakovosti dolgih luči postane težje tudi z naraščajočo močjo in energijo.
3: Trajanje impulza (tipične enote: fs do ms)
Trajanje laserskega impulza ali širina impulza je običajno definirana kot polna polna širina (FWHM) moči laserske svetlobe v odvisnosti od časa (slika 3). Ultrahitri laserji ponujajo številne prednosti v številnih aplikacijah, vključno s precizno obdelavo materialov in medicinskimi laserji, zanje pa je značilno kratko trajanje impulza od približno pikosekund (10-12 sekund) do atosekund (10-18 sekund).
Slika 3: Impulzni laserski impulzi, časovno ločeni z recipročno vrednostjo hitrosti 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 običajno 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 končni fokusni točki, kar vodi do hitrejšega segrevanja materiala.
5: Koherenčna dolžina (tipične enote: milimetri do metri)
Laserji so koherentni, kar pomeni, da obstaja fiksno razmerje med faznimi vrednostmi električnega polja v različnih časih ali na različnih lokacijah. To je zato, ker za razliko od večine drugih vrst svetlobnih virov laserji nastajajo z vzbujeno emisijo. Koherenca se med postopkom širjenja poslabša, koherenčna dolžina laserja pa določa razdaljo, na kateri se vzdržuje časovna koherenca laserja pri določeni kakovosti.
6: Polarizacija
Polarizacija določa smer električnega polja svetlobnega vala, ki je vedno pravokotna na smer širjenja. V večini primerov bo laser linearno polariziran, kar pomeni, da oddano električno polje vedno kaže v isto smer. Nepolarizirana svetloba bo imela električno polje, ki kaže v veliko različnih smereh. Stopnjo polarizacije običajno izražamo kot razmerje goriščnih razdalj svetlobe v dveh pravokotno polariziranih stanjih, npr. 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 dimenzijo, pravokotno na smer širjenja. Običajno je opredeljena kot širina 1/e2, ki je dosežena z jakostjo žarka pri 1/e2 (≈ 13,5 %). V točki 1/e2 električna poljska jakost 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 MW/cm2 ali µJ/cm2 do J/cm2)
Premer žarka je povezan z gostoto moči/energije laserskega žarka ali optično močjo/energijo na enoto površine. Večji kot je premer žarka, manjša je gostota moči/energije žarka s konstantno močjo ali energijo. Pri končnem izhodu sistema (npr. pri laserskem rezanju ali varjenju) je pogosto zaželena visoka gostota moči/energije, znotraj sistema pa je nizka koncentracija moči/energije pogosto koristna za preprečevanje poškodb, ki jih povzroči laser. To tudi preprečuje ionizacijo zraka v območju visoke moči/energijske gostote žarka. Zaradi 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 toliko, da bi bil zakrit iz odprtin v sistemu, kar bi povzročilo izgubljeno energijo in morebitno škodo.
9: Profil žarka
Profil žarka laserja opisuje porazdeljeno jakost v prerezu žarka. Običajni profili žarkov vključujejo Gaussove in ploščate žarke, katerih profili žarkov sledijo Gaussovi funkciji oziroma ravni vrh (slika 4). Vendar pa noben laser ne more proizvesti popolnoma Gaussovega ali popolnoma ravnega vrhnjega žarka s profilom žarka, ki natančno ustreza njegovi lastni funkciji, ker je znotraj laserja vedno določeno število vročih točk ali nihanj. Razlika med dejanskim profilom žarka laserja in idealnim profilom žarka je običajno opisana z metriko, ki vključuje faktor M2 laserja.
Slika 4: Primerjava profila žarka Gaussovega žarka z enako povprečno močjo ali intenzivnostjo in žarka z ravnim vrhom kaže, da je največja intenziteta Gaussovega žarka dvakrat večja od žarka z ravnim vrhom.
10: Divergenca (tipične enote: mrad)
Čeprav se laserski žarki običajno obravnavajo kot kolimirani, vedno vsebujejo določeno količino divergence, ki opisuje stopnjo, do katere se žarek zaradi difrakcije razhaja na naraščajočih razdaljah od pasu laserskega žarka. Pri aplikacijah z velikimi delovnimi razdaljami, kot so sistemi LIDAR, kjer so lahko predmeti na stotine metrov oddaljeni od laserskega sistema, postane divergenca še posebej pomembno vprašanje. Divergenca žarka je običajno opredeljena s polovičnim kotom laserja, divergenca (θ) Gaussovega žarka pa je definirana kot:
Slika.
λ 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 (tipična enota: µm)
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 pike. To poveča gostoto moči in omogoča ustvarjanje izjemno finih funkcij. Asferične leče se pogosto uporabljajo namesto tradicionalnih sferičnih leč, da zmanjšajo sferično aberacijo in ustvarijo manjše velikosti goriščne točke. Nekatere vrste laserskih sistemov ne izostrijo laserja na točko, v tem primeru ta parameter ne velja.
12: Delovna razdalja (tipične enote: µm do m)
Delovna razdalja laserskega sistema je običajno opredeljena kot fizična razdalja od končnega optičnega elementa (običajno fokusirne leče) do predmeta ali površine, na katero je laser fokusiran. Določene aplikacije, kot so medicinski laserji, si običajno prizadevajo čim bolj zmanjšati delovno razdaljo, druge aplikacije, kot je daljinsko zaznavanje, pa običajno poskušajo čim bolj povečati obseg delovne razdalje.
