Există o gamă largă de sisteme laser comune pentru o varietate de aplicații, inclusiv prelucrarea materialelor, chirurgia cu laser și teledetecția, dar multe sisteme laser împărtășesc parametri cheie comuni. Stabilirea unei terminologii comune pentru acești parametri previne comunicarea greșită, iar înțelegerea acestora permite specificarea corectă a sistemelor și componentelor laser pentru a îndeplini cerințele aplicației.
Figura 1: Schema unui sistem comun de procesare a materialelor cu laser, în care fiecare dintre cei 10 parametri cheie ai unui sistem laser este reprezentat de un număr corespunzător
Parametrii de bază
Următorii parametri de bază sunt cele mai fundamentale concepte ale unui sistem laser și sunt esențiali pentru înțelegerea punctelor mai avansate.
1: lungime de undă (unități tipice: nm la µm)
Lungimea de undă a unui laser descrie frecvența spațială a undei luminoase emise. Lungimea de undă optimă pentru un anumit caz de utilizare depinde foarte mult de aplicație. Materialele diferite vor avea proprietăți unice de absorbție dependente de lungimea de undă în procesarea materialului, rezultând interacțiuni diferite cu materialul. În mod similar, absorbția și interferența atmosferică vor afecta în mod diferit anumite lungimi de undă în teledetecție, iar diverse complexe vor absorbi anumite lungimi de undă în mod diferit în aplicațiile cu laser medical. Laserele cu lungime de undă mai scurtă și optica laser facilitează crearea de caracteristici mici, precise, cu încălzire periferică minimă, deoarece punctul focal este mai mic. Cu toate acestea, acestea sunt de obicei mai scumpe și mai ușor de deteriorat decât laserele cu lungime de undă mai mare.
2: Putere și energie (unități tipice: W sau J)
Puterea unui laser este măsurată în wați (W) și este utilizată pentru a caracteriza puterea optică de ieșire a unui laser cu undă continuă (CW) sau puterea medie a unui laser în impulsuri. Laserele pulsate se caracterizează și prin energia pulsului lor, care este proporțională cu puterea medie și invers proporțională cu rata de repetiție a laserului (Figura 2). Energia se măsoară în jouli (J).
Figura 2: Reprezentarea vizuală a relației dintre energia pulsului, rata de repetiție și puterea medie a unui laser pulsat
Laserele cu putere și energie mai mari sunt de obicei mai scumpe și produc mai multă căldură reziduală. Menținerea calității înalte a fasciculului devine, de asemenea, mai dificilă odată cu creșterea puterii și a energiei.
3: Durata impulsului (unități tipice: fs la ms)
Durata impulsului laser sau lățimea impulsului este de obicei definită ca lățimea completă la jumătatea maximă (FWHM) a puterii luminii laser în funcție de timp (Figura 3). Laserele ultrarapide oferă multe avantaje într-o gamă largă de aplicații, inclusiv prelucrarea de precizie a materialelor și laserele medicale, și sunt caracterizate prin durate scurte ale impulsurilor de aproximativ picoseconde (10-12 secunde) până la attosecunde (10-18 secunde).
Figura 3: Impulsuri laser pulsate separate în timp de inversul ratei de repetiție
4: Rata de repetiție (unități tipice: Hz la MHz)
Rata de repetiție sau frecvența de repetare a impulsurilor unui laser cu impulsuri descrie numărul de impulsuri emise pe secundă sau intervalul de timp invers al impulsurilor (Figura 3). După cum am menționat mai devreme, rata de repetiție este invers proporțională cu energia pulsului și direct proporțională cu puterea medie. În timp ce rata de repetiție depinde de obicei de mediul de câștig laser, poate varia în multe cazuri. Ratele mai mari de repetiție au ca rezultat timpi mai scurti de relaxare termică la suprafața opticii laser și la punctul final de focalizare, ceea ce duce la încălzirea mai rapidă a materialului.
5: lungime de coerență (unități tipice: milimetri în metri)
Laserele sunt coerente, ceea ce înseamnă că există o relație fixă între valorile de fază ale câmpului electric în diferite momente sau locații. Acest lucru se datorează faptului că, spre deosebire de majoritatea celorlalte tipuri de surse de lumină, laserele sunt produse prin emisie excitată. Coerența se degradează pe tot parcursul procesului de propagare, iar lungimea de coerență a unui laser definește o distanță pe care coerența temporală a laserului este menținută la o anumită calitate.
6: Polarizare
Polarizarea definește direcția câmpului electric al unei unde luminoase, care este întotdeauna perpendiculară pe direcția de propagare. În cele mai multe cazuri, laserul va fi polarizat liniar, ceea ce înseamnă că câmpul electric emis este întotdeauna în aceeași direcție. Lumina nepolarizată va avea un câmp electric care indică în multe direcții diferite. Gradul de polarizare este de obicei exprimat ca raportul dintre distanțe focale ale luminii în două stări polarizate ortogonal, de exemplu 100:1 sau 500:1.
Parametrii fasciculului
Următorii parametri caracterizează forma și calitatea unui fascicul laser.
7: Diametrul fasciculului (unități tipice: mm în cm)
Diametrul fasciculului laser caracterizează extensia laterală a fasciculului sau dimensiunea sa fizică perpendiculară pe direcția de propagare. De obicei, este definită ca lățimea 1/e2, care este atinsă de intensitatea fasciculului la 1/e2 (≈ 13,5%). La punctul 1/e2, intensitatea câmpului electric scade la 1/e (≈ 37%). Cu cât diametrul fasciculului este mai mare, cu atât optica și întregul sistem trebuie să fie mai mari pentru a evita trunchierea fasciculului, ceea ce crește costul. Cu toate acestea, o reducere a diametrului fasciculului crește densitatea de putere/energie, ceea ce poate fi și dăunător.
8: densitate de putere sau energie (unități tipice: W/cm2 la MW/cm2 sau µJ/cm2 la J/cm2)
Diametrul fasciculului se referă la puterea/densitatea de energie a fasciculului laser sau puterea optică/energia pe unitatea de suprafață. Cu cât diametrul fasciculului este mai mare, cu atât densitatea de putere/energie a fasciculului cu putere sau energie constantă este mai mică. La ieșirea finală a sistemului (de exemplu, în tăierea sau sudarea cu laser), o densitate mare de putere/energie este adesea de dorit, dar în cadrul sistemului, o concentrație scăzută de putere/energie este adesea benefică pentru a preveni deteriorarea indusă de laser. Acest lucru previne, de asemenea, ionizarea aerului în regiunea de mare putere/densitate energetică a fasciculului. Din aceste motive, printre altele, expansoarele fasciculului laser sunt adesea folosite pentru a crește diametrul și, prin urmare, a reduce densitatea de putere/energie în interiorul sistemului laser. Cu toate acestea, trebuie avut grijă să nu extindeți fasciculul atât de mult încât fasciculul să fie ascuns de deschiderile din sistem, ceea ce duce la risipa de energie și potențiale daune.
9: Profilul fasciculului
Profilul fasciculului unui laser descrie intensitatea distribuită în secțiunea transversală a fasciculului. Profilurile de fascicul obișnuite includ grinzi gaussiene și cu vârf plat, ale căror profile de fascicul urmează funcțiile gaussiene și, respectiv, cu vârf plat (Figura 4). Cu toate acestea, niciun laser nu poate produce un fascicul superior complet gaussian sau complet plat cu un profil al fasciculului care se potrivește exact cu funcția sa proprie, deoarece există întotdeauna un anumit număr de puncte fierbinți sau fluctuații în interiorul laserului. Diferența dintre profilul fasciculului real al unui laser și profilul ideal al fasciculului este de obicei descrisă de o metrică care include factorul M2 al laserului.
Figura 4: O comparație a profilului fasciculului unui fascicul Gaussian cu aceeași putere sau intensitate medie și a unui fascicul cu vârf plat arată că intensitatea maximă a fasciculului Gaussian este de două ori mai mare decât a fasciculului cu vârf plat.
10: Divergență (unități tipice: mrad)
Deși fasciculele laser sunt de obicei considerate colimate, ele conțin întotdeauna o anumită divergență, care descrie gradul în care fasciculul diverge la distanțe crescânde față de talia fasciculului laser din cauza difracției. În aplicațiile cu distanțe mari de operare, cum ar fi sistemele LIDAR în care obiectele pot fi la sute de metri distanță de sistemul laser, divergența devine o problemă deosebit de importantă. Divergența fasciculului este de obicei definită de jumătatea unghiului laserului, iar divergența (θ) a fasciculului gaussian este definită ca:
Imagine.
λ este lungimea de undă a laserului și w0 este talia fasciculului laserului.
Parametrii finali ai sistemului
Acești parametri finali descriu performanța sistemului laser la ieșire.
11: Dimensiunea spotului (unitate tipică: µm)
Dimensiunea spotului unui fascicul laser focalizat descrie diametrul fasciculului la punctul focal al sistemului de lentile de focalizare. În multe aplicații, cum ar fi prelucrarea materialelor și chirurgia medicală, scopul este de a minimiza dimensiunea spotului. Acest lucru maximizează densitatea de putere și permite crearea de caracteristici excepțional de fine. Lentilele asferice sunt adesea folosite în locul lentilelor sferice tradiționale pentru a minimiza aberația sferică și pentru a produce dimensiuni mai mici ale punctelor focale. Unele tipuri de sisteme laser nu concentrează în cele din urmă laserul la fața locului, caz în care acest parametru nu se aplică.
12: Distanța de lucru (unități tipice: µm la m)
Distanța de lucru a unui sistem laser este de obicei definită ca distanța fizică de la elementul optic final (de obicei lentila de focalizare) la obiectul sau suprafața pe care este focalizat laserul. Anumite aplicații, cum ar fi laserele medicale, urmăresc de obicei să minimizeze distanța de lucru, în timp ce alte aplicații, cum ar fi teledetecția, urmăresc de obicei să maximizeze intervalul de distanță de lucru.
