Există o gamă largă de sisteme laser de uz general pentru diverse aplicații, cum ar fi prelucrarea materialelor, chirurgia cu laser și teledetecția, dar multe sisteme laser împărtășesc parametri cheie comuni. Stabilirea unei terminologii comune pentru acești parametri previne neînțelegerile, iar înțelegerea lor permite specificarea corespunzătoare a sistemelor și componentelor laser pentru a îndeplini cerințele aplicației.
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. În prelucrarea materialelor, diferitele materiale au proprietăți unice de absorbție, dependente de lungimea de undă, care au ca rezultat interacțiuni diferite cu materialul. În mod similar, în teledetecție, absorbția și interferența atmosferică pot afecta în mod diferit anumite lungimi de undă, iar în aplicațiile cu laser medical, diferite complexe pot absorbi anumite lungimi de undă în mod diferit. Laserele cu lungime de undă mai scurtă și optica laser ajută la crearea unor caracteristici mici și 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 folosită pentru a descrie puterea optică de ieșire de la un 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).
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 picosecunde (10-12 secunde) până la attosecunde (10-18 secunde).
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 optică a laserului și la focalizarea finală, ceea ce duce la o încălzire 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 scade pe tot parcursul procesului de transmisie, iar lungimea de coerență a laserului determină distanța pe care coerența temporală a laserului rămâne la o anumită calitate.
6: Polarizare
Polarizarea determină 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. Polarizarea este de obicei exprimată 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 unui laser caracterizează extensia laterală a fasciculului, sau dimensiunea fizică perpendiculară pe direcția de propagare. De obicei, este definită ca lățimea 1/e2, adică lățimea realizată 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 scădere a diametrului fasciculului crește densitatea de putere/energie, ceea ce este, de asemenea, 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 unitate de suprafață. Cu cât diametrul fasciculului este mai mare, cu atât densitatea de putere/energie a fasciculului de putere constantă sau de energie constantă este mai mică. La ieșirea finală a sistemului (de exemplu, în tăierea cu laser sau sudare), este de obicei necesară o densitate mare de putere/energie, dar în cadrul sistemului, o concentrație scăzută de putere/energie este de obicei 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 de fascicul laser sunt adesea folosite pentru a crește diametrul și, astfel, a reduce densitatea de putere/energie în interiorul sistemului laser. Cu toate acestea, trebuie avut grijă să nu extindeți fasciculul atât de mare încât fasciculul să fie ascuns din deschiderea sistemului, rezultând energie irosită și potențiale daune.
9: Profilul fasciculului
Profilul fasciculului unui laser descrie intensitatea distribuită în secțiunea transversală a fasciculului. Profilurile obișnuite ale fasciculului includ fascicule gaussiene și cu vârf plat, care urmează funcțiile gaussiene și, respectiv, cu vârf plat (Figura 4). Cu toate acestea, deoarece există întotdeauna un anumit număr de puncte fierbinți sau fluctuații în interiorul laserului, niciun laser nu poate produce un fascicul complet gaussian sau complet plat care se conformează exact funcției sale proprii. Diferența dintre profilul actual al fasciculului laser și profilul ideal al fasciculului este de obicei descrisă de o metrică care conține factorul M2 al laserului.
10: Divergență (unitate tipică: mrad)
Deși fasciculele laser sunt în general considerate colimate, ele conțin întotdeauna o anumită divergență, care descrie măsura 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, unde obiectele se pot afla la sute de metri de sistemul laser, divergența devine o problemă deosebit de importantă. Divergența fasciculului este de obicei definită în termeni de jumătate de unghi al laserului, iar divergența (θ) a fasciculului gaussian este definită ca.
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 (Figura 5). Lentilele asferice sunt adesea folosite în locul lentilelor sferice convenționale 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 pe loc, caz în care acest parametru nu este aplicabil.
12: Distanța de lucru (unitate tipică: µm la m)
Distanța de lucru a unui sistem laser este, în general, definită ca distanța fizică de la elementul optic final (de obicei o lentilă de focalizare) la obiectul sau suprafața pe care este focalizat laserul. Unele aplicații, cum ar fi laserele medicale, încearcă adesea să minimizeze distanța de lucru, în timp ce alte aplicații, cum ar fi teledetecția, urmăresc adesea să maximizeze intervalul de distanță de lucru.
