În diverse aplicații, cum ar fi prelucrarea materialelor, chirurgia cu laser, teledetecția și în specialmarcaj cu laser, există o varietate de sisteme laser comune. Multe dintre aceste sisteme laser împărtășesc parametri cheie. Stabilirea unor termeni universali pentru acești parametri poate preveni denaturarea și, prin înțelegerea acestor termeni, puteți specifica corect sistemele și componentele laser pentru a satisface nevoile aplicației dumneavoastră.
Fig. 1: Diagrama schematică a unui sistem obișnuit de procesare a materialelor cu laser, în care 10 parametri cheie ai sistemului laser sunt reprezentați prin numere corespunzătoare
NR.1 Lungime de undă: Lungimea de undă a laserului este un parametru fundamental care descrie frecvența spațială a undei luminoase emise. Laserele de diferite lungimi de undă joacă roluri în diferite aplicații. În prelucrarea materialelor, diferitele materiale au caracteristici de absorbție diferite pentru lungimi de undă diferite, astfel încât interacțiunea cu materialul este, de asemenea, diferită. Laserele cu lungime de undă mai scurtă și optica laser au avantaje în crearea unor caracteristici mici și precise, cu o încălzire periferică mai mică. Cu toate acestea, aceste dispozitive sunt de obicei mai scumpe și mai fragile în comparație cu laserele cu lungimi de undă mai mari.
NR.2 Putere: Puterea laserului este de obicei măsurată în wați (W), folosită pentru a descrie puterea optică de ieșire a laserelor cu undă continuă (CW) sau puterea medie a laserelor cu impulsuri. Caracteristica laserelor cu impulsuri este că energia pulsului lor este direct proporțională cu puterea medie și invers proporțională cu rata de repetiție. Unitatea de energie este jouli (J). Prin urmare, energia pulsului poate fi calculată împărțind puterea medie la rata de repetiție.
Fig 2: o reprezentare vizuală a relației dintre energia pulsului, rata de repetiție și puterea medie a laserelor cu impulsuri cu putere mai mare și laserele cu energie sunt în general mai scumpe și generează mai multă căldură reziduală. Pe măsură ce puterea și energia cresc, devine din ce în ce mai dificil să se mențină o calitate ridicată a fasciculului.
NR.3 Durata pulsului:Durata impulsului sau lățimea impulsului unui laser este de obicei definită ca timpul necesar pentru ca laserul să atingă jumătate (FWHM) din puterea sa optică maximă. Laserele ultrarapide se caracterizează prin durate scurte ale impulsurilor, variind de la picosecunde (10-12 secunde) la attosecunde (10-18 secunde).
Fig 3: Intervalul de puls al unui laser cu impulsuri este inversul ratei de repetiție
NR.4 Rata de repetare:Rata de repetiție a unui laser pulsat descrie numărul de impulsuri emise pe secundă, care este inversul intervalului de timp dintre impulsuri. Spre deosebire de cele menționate mai devreme, rata de repetiție este invers proporțională cu energia pulsului și direct proporțională cu puterea medie. O rată de repetiție mai mare înseamnă că timpul de relaxare termică a suprafeței elementului optic laser și a punctului final focalizat este mai scurt, astfel încât rata de încălzire a materialului este mai rapidă.
NR.5 Coerență Lungime:Laserele au coerență, ceea ce înseamnă că există o relație fixă între valorile de fază ale câmpului electric în momente sau poziții diferite. Această caracteristică provine din faptul că laserele sunt produse prin emisie stimulată, care este diferită de majoritatea celorlalte tipuri de surse de lumină. Deși coerența laserului se va slăbi treptat în timpul propagării, lungimea de coerență a laserului definește distanța la care coerența lui în timp rămâne la un anumit nivel.
NR.6 Polarizare:Polarizarea definește direcția câmpului electric al undei de lumină, care este întotdeauna perpendiculară pe direcția de propagare. În cele mai multe cazuri, laserul este polarizat liniar, adică câmpul electric emis este întotdeauna în aceeași direcție. În schimb, lumina nepolarizată va produce câmpuri electrice îndreptate în multe direcții diferite. Polarizarea este de obicei exprimată ca raportul puterii luminii între două stări de polarizare ortogonală, cum ar fi 100:1 sau 500:1.
NR.7 Diametrul fasciculului: Diametrul fasciculului laser descrie extensia laterală a fasciculului, adică dimensiunea fizică perpendiculară pe direcția de propagare. De obicei, diametrul fasciculului este definit la lățimea 1/e², adică punctul în care intensitatea fasciculului atinge 1/e² (aproximativ 13,5%) din valoarea maximă. În acest moment, intensitatea câmpului electric scade la 1/e (aproximativ 37%) din valoarea maximă. Cu cât diametrul fasciculului este mai mare, cu atât componentele optice și întregul sistem necesar pentru a evita tăierea fasciculului sunt mai mari, rezultând costuri crescute. Cu toate acestea, reducerea diametrului fasciculului va crește densitatea de putere/energie, ceea ce va aduce și efecte adverse.
NR.8 Puterea sau Densitatea Energiei: Puterea sau densitatea de energie se referă la puterea fasciculului sau energia pe unitatea de suprafață. Diametrul fasciculului este strâns legat de densitatea de putere/energie. Când puterea sau energia fasciculului rămâne constantă, cu cât diametrul fasciculului este mai mare, cu atât densitatea de putere/energie este mai mică. În general, laserele cu densitate mare de putere/energie sunt rezultatul final ideal al sistemului, cum ar fi aplicațiile de tăiere cu laser sau sudare cu laser. Cu toate acestea, laserele cu putere/densitate de energie scăzută sunt benefice sistemului intern, pot reduce daunele cauzate de lasere și pot împiedica zona de putere/densitate mare de energie a fasciculului să ionizeze aerul.
NR.9 Profil fascicul: Profilul fasciculului descrie intensitatea de distribuție a fasciculului pe secțiunea transversală. Profilurile de fascicul obișnuite includ grinzi gaussiene și grinzi cu vârf plat, iar profilele lor fascicule urmează funcțiile gaussiene și, respectiv, cu vârf plat. Cu toate acestea, deoarece există întotdeauna un anumit număr de puncte fierbinți sau oscilații în interiorul laserului, niciun laser nu poate produce un fascicul Gaussian perfect sau un fascicul perfect plat care se potrivește perfect cu profilul ideal al fasciculului. Diferența dintre profilul actual al fasciculului laser și profilul ideal al fasciculului este de obicei descrisă de mai mulți indicatori de măsurare (inclusiv factorul M² al laserului).
NR.10 Divergenta:Deși oamenii cred de obicei că fasciculul laser este lumină colimată, de fapt, fasciculul laser va avea întotdeauna un anumit grad de divergență. Divergența descrie gradul de difuzie a fasciculului în raport cu talia fasciculului după propagarea pe distanțe lungi din cauza difracției. În aplicațiile cu distanțe mari de lucru, cum ar fi sistemele radar cu laser, unde ținta și sistemul laser pot fi la sute de metri unul de celălalt, divergența devine o problemă deosebit de importantă. Divergența fasciculului este de obicei definită de semiunghiul laserului, iar unghiul de divergență (θ) al fasciculului gaussian este definit ca λ este lungimea de undă a laserului și w0 este talia fasciculului laser.
NR.11 Dimensiunea spotului: Dimensiunea spotului descrie diametrul spotului al fasciculului laser focalizat, situat la focalizarea sistemului de lentile de focalizare. În multe aplicații, cum ar fi prelucrarea materialelor și chirurgia medicală, scopul nostru este de a minimiza dimensiunea spotului. Acest lucru poate maximiza densitatea de putere și poate crea caracteristici deosebit de fine. Lentilele asferice sunt adesea folosite pentru a înlocui lentilele sferice tradiționale pentru a reduce aberațiile sferice și a reduce dimensiunea spotului. În unele tipuri de sisteme laser, laserul nu va focaliza în cele din urmă laserul într-un loc, așa că în acest caz, acest parametru nu se aplică.
Fig 5: Experimentele de microprelucrare cu laser de la Institutul Italian de Tehnologie arată că eficiența de ablație a unui sistem de foraj cu laser în nanosecunde crește de zece ori atunci când dimensiunea spotului este redusă de la 220 microni la 9 microni la flux constant.
