Postoji širok spektar uobičajenih laserskih sistema koji se koriste u raznim aplikacijama kao što su obrada materijala, laserska hirurgija i daljinsko ispitivanje, ali mnogi laserski sistemi imaju zajedničke ključne parametre. Uspostavljanje zajedničke terminologije za ove parametre sprečava greške u komunikaciji, a njihovo razumevanje omogućava da laserski sistem i komponente budu ispravno specificirani kako bi ispunili zahteve aplikacije.
Slika 1: Šematski dijagram uobičajenog laserskog sistema za obradu materijala, gdje je svaki od 10 ključnih parametara laserskog sistema predstavljen odgovarajućim brojem
Osnovni parametri
Sljedeći osnovni parametri su najosnovniji koncepti laserskih sistema, a također su kritični za razumijevanje naprednijih tačaka
1: talasna dužina (tipične jedinice: nm do um)
Talasna dužina lasera opisuje prostornu frekvenciju emitiranog svjetlosnog talasa. Optimalna talasna dužina za dati slučaj upotrebe u velikoj meri zavisi od primene. Različiti materijali će imati jedinstvena svojstva apsorpcije zavisna od talasne dužine u obradi materijala, što će rezultirati različitim interakcijama sa materijalom. Slično tome, atmosferska apsorpcija i interferencija će drugačije uticati na određene talasne dužine u daljinskom senzoru, a različiti kompleksi će različito apsorbovati određene talasne dužine u medicinskim laserskim aplikacijama. Laseri kraće talasne dužine i laserska optika su korisni za kreiranje malih i preciznih karakteristika sa minimalnim perifernim grejanjem jer je fokusna tačka manja. Međutim, oni su generalno skuplji i podložniji oštećenjima od lasera dužine talasne dužine.
2: Snaga i energija (tipične jedinice: W ili J)
Snaga lasera se mjeri u vatima (W) i koristi se za opisivanje izlazne optičke snage kontinuiranog talasnog (CW) lasera ili prosječne snage impulsnog lasera. Pulsne lasere karakterizira i njihova impulsna energija, koja je proporcionalna prosječnoj snazi i obrnuto proporcionalna brzini ponavljanja lasera (slika 2). Energija se mjeri u džulima (J).
Slika 2: Vizuelni prikaz odnosa između energije impulsa, brzine ponavljanja i prosječne snage impulsnog lasera
Laseri veće snage i energije općenito su skuplji i stvaraju više otpadne topline. Održavanje visokog kvaliteta zraka također postaje sve teže kako se povećavaju snaga i energija.
3: Trajanje impulsa (tipične jedinice: fs do ms)
Trajanje laserskog impulsa ili širina impulsa se obično definira kao puna širina na pola maksimuma (FWHM) optičke snage lasera u odnosu na vrijeme (Slika 3). Ultrabrzi laseri nude mnoge prednosti u nizu primjena, uključujući preciznu obradu materijala i medicinske lasere. Karakteriziraju ih kratko trajanje pulsa reda pikosekundi (10-12 sekundi) do attosekundi (10-18 i manje
P(W)
1/Stopa ponavljanja
Kupi vrijeme(a) javnog računa
Slika 3: Impulsi pulsirajućeg lasera su vremenski razdvojeni obrnutim brojem ponavljanja
4: Stopa ponavljanja (tipične jedinice: Hz do MHz)
Brzina ponavljanja ili frekvencija ponavljanja impulsa impulsnog lasera opisuje broj emitovanih impulsa u sekundi ili inverzni vremenski interval impulsa (slika 3). Kao što je ranije spomenuto, stopa ponavljanja je obrnuto proporcionalna energiji impulsa i direktno proporcionalna prosječnoj snazi. Iako stopa ponavljanja općenito ovisi o mediju za pojačanje lasera, može varirati u mnogim slučajevima. Veće stope ponavljanja rezultiraju kraćim vremenom termičke relaksacije na površini laserske optike i u konačnom fokusu, što rezultira bržim zagrijavanjem materijala.
5: dužina koherencije (tipične jedinice: milimetri u metri)
Laser je koherentan, što znači da su električne struje u različitim vremenima ili na različitim lokacijama koherentne. Postoji fiksni odnos između vrijednosti faze polja. To je zato što se laseri, za razliku od većine drugih vrsta izvora svjetlosti, proizvode stimuliranom emisijom. Dužina koherentnosti definiše razdaljinu na kojoj vremenska koherentnost laserskog svjetla ostaje konstantna tijekom širenja laserske svjetlosti, bez degradacije tokom procesa.
6: Polarizacija
Polarizacija definira smjer električnog polja svjetlosnog vala, "ono je uvijek okomito na smjer širenja. U većini slučajeva, lasersko svjetlo će biti linearno polarizirano, što znači da emitirano električno polje uvijek pokazuje u istom smjeru. Nepolarizirana svjetlost će imati električno polje usmjereno u mnogo različitih smjerova. Stepen polarizacije se obično izražava kao omjer optičke snage dvaju ortogonalnih polarizacijskih stanja, kao što je 100:1 ili 500:1.
Parametri zraka
Sljedeći parametri karakteriziraju oblik i kvalitet laserskog snopa.
7: Prečnik snopa (tipične jedinice: mm do cm)
Promjer laserskog snopa karakterizira bočno proširenje zraka, odnosno njegovu fizičku veličinu okomitu na smjer širenja. Obično se definiše kao širina 1/e2, što je širina intenziteta snopa do 1/e2 (=13.5%). U tački 1/e2, intenzitet električnog polja pada na 1/e (=37%). Što je veći prečnik snopa, veća je optika i ceo sistem da bi se izbeglo skraćenje snopa, što povećava troškove. Međutim, smanjenje promjera snopa povećava gustoću snage/energije, što također može biti štetno.
8: Gustoća snage ili energije (tipične jedinice: W/cm2 do MWicm2 ili uJ/cm2 do J/cm2)
Prečnik snopa je povezan sa gustinom snage/energije laserskog snopa. Gustoća energije, ili količina optičke snage/energije po jedinici površine. Što je veći prečnik snopa, to je niža gustina snage/energije zraka za konstantnu snagu ili energiju. Visoka gustina snage/energije je često poželjna na konačnom izlazu sistema (na primjer kod laserskog rezanja ili zavarivanja), ali niske koncentracije snage/energije su često korisne unutar sistema kako bi se spriječilo oštećenje izazvano laserom. Ovo takođe sprečava da oblasti snopa velike snage/energetske gustine ioniziraju vazduh. Iz ovih razloga, između ostalog, ekspanderi laserskog snopa se često koriste za povećanje prečnika i time smanjenje gustine snage/energije unutar laserskog sistema. Međutim, potrebno je paziti da se snop ne proširi previše tako da bude blokiran od otvora u sistemu, što rezultira gubitkom energije i potencijalnim oštećenjima.
9: Profil snopa
Profil snopa lasera opisuje raspoređeni intenzitet preko poprečnog presjeka zraka. Uobičajeni profili grede uključuju Gaussove grede i grede s ravnim vrhom, čiji profili grede slijede Gaussovu funkciju i funkciju ravnog vrha (slika 4.). Međutim, nijedan laser ne može proizvesti potpuno Gausov snop ili potpuno ravan snop s profilom zraka koji točno odgovara njegovoj karakterističnoj funkciji, jer uvijek postoji određena količina vrućih tačaka ili fluktuacija unutar lasera. Razlika između stvarnog profila snopa lasera i idealnog profila snopa često se opisuje metrikom uključujući M2 faktor lasera
Gausovi i ravni profili gornje grede
Slika 4: Poređenje profila snopa Gausove grede i grede s ravnim gornjim dijelom jednake prosječne snage ili intenziteta pokazuje da je vršni intenzitet Gaussove grede dvostruko veći od snopa s ravnim vrhom
10: Divergencija (tipične jedinice: mrad)
Iako se laserski snopovi često smatraju kolimiranim, oni uvijek sadrže određenu količinu divergencije, koja opisuje stepen do kojeg se snop divergira na rastućoj udaljenosti od struka laserskog snopa zbog difrakcije. U aplikacijama na velikim radnim udaljenostima, kao što su LiDAR sistemi, gdje objekti mogu biti stotinama metara udaljeni od laserskog sistema, divergencija postaje posebno važno pitanje. Divergencija snopa je često definisana polovičnim uglom lasera, a divergencija Gausovog snopa (0) je definisana kao:
W je talasna dužina lasera, a w0 je struk lasera
Konačni sistemski parametri
Ovi konačni parametri opisuju performanse laserskog sistema na izlazu
11: Veličina mrlje (tipične jedinice: um)
Veličina tačke fokusiranog laserskog snopa opisuje prečnik zraka u fokusu sistema sočiva za fokusiranje. U mnogim primjenama kao što su obrada materijala i medicinska kirurgija, cilj je minimizirati veličinu mjesta. Ovo maksimizira gustinu snage i omogućava stvaranje posebno finih karakteristika (slika 5). Asferična sočiva se često koriste umjesto tradicionalnih sfernih sočiva kako bi se smanjile sferne aberacije i proizvele manje veličine žarišne točke. Neki tipovi laserskih sistema u konačnici ne fokusiraju laser na određeno mjesto, u kom slučaju se ovaj parametar ne primjenjuje.
Slika 5: Eksperimenti laserske mikromašinske obrade na Italijanskom institutu za tehnologiju pokazuju 10-putostruko povećanje efikasnosti ablacije u nanosekundnom laserskom sistemu bušenja kada se veličina tačke smanji sa 220 um na 9 um uz konstantan protok
12: Radna udaljenost (tipične jedinice: um do m)
Radna udaljenost laserskog sistema se obično definira kao fizička udaljenost od konačnog optičkog elementa (obično sočiva za fokusiranje) do objekta ili površine na koju je laser fokusiran. Određene aplikacije, kao što su medicinski laseri, obično nastoje da minimiziraju radnu udaljenost, dok druge, kao što je daljinsko ispitivanje, obično imaju za cilj maksimiziranje opsega svoje radne udaljenosti.
