Postoji širok raspon uobičajenih laserskih sistema za različite primjene, uključujući obradu materijala, lasersku hirurgiju i daljinsko ispitivanje, ali mnogi laserski sistemi dijele zajedničke ključne parametre. Uspostavljanje zajedničke terminologije za ove parametre sprečava pogrešnu komunikaciju, a njihovo razumevanje omogućava ispravnu specifikaciju laserskih sistema i komponenti kako bi se ispunili zahtevi aplikacije.
Slika 1: Šema uobičajenog sistema za obradu laserskog materijala, gdje je svaki od 10 ključnih parametara laserskog sistema predstavljen odgovarajućim brojem
Osnovni parametri
Sljedeći osnovni parametri su najosnovniji koncepti laserskog sistema i bitni su za razumijevanje naprednijih tačaka.
1: talasna dužina (tipične jedinice: nm do µm)
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 olakšavaju kreiranje malih, preciznih karakteristika uz minimalno periferno grejanje jer je fokusna tačka manja. Međutim, oni su obično skuplji i lakše se oštete 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 karakterizaciju izlazne optičke snage kontinuiranog talasnog (CW) lasera ili prosječne snage impulsnog lasera. Impulsne 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 su obično skuplji i proizvode više otpadne topline. Održavanje visokog kvaliteta zraka također postaje teže s povećanjem snage i energije.
3: Trajanje impulsa (tipične jedinice: fs do ms)
Trajanje laserskog impulsa ili širina impulsa se obično definiše kao puna širina na pola maksimuma (FWHM) snage laserskog svjetla u odnosu na vrijeme (Slika 3). Ultrabrzi laseri nude mnoge prednosti u nizu primjena uključujući preciznu obradu materijala i medicinske lasere, a karakteriziraju ih kratko trajanje impulsa od oko pikosekundi (10-12 sekundi) do attosekundi (10-18 sekundi).
Slika 3: Impulsni laserski impulsi razdvojeni u vremenu recipročnom stopom 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. Dok stopa ponavljanja obično zavisi od medija za pojačanje lasera, može varirati u mnogim slučajevima. Veće stope ponavljanja rezultiraju kraćim vremenima termalne relaksacije na površini laserske optike i u konačnoj tački fokusa, što dovodi do bržeg zagrijavanja materijala.
5: Dužina koherentnosti (tipične jedinice: milimetri do metara)
Laseri su koherentni, što znači da postoji fiksni odnos između faznih vrijednosti električnog polja u različitim vremenima ili lokacijama. To je zato što za razliku od većine drugih vrsta izvora svjetlosti, laseri se proizvode pobuđenom emisijom. Koherencija se degradira kroz proces propagacije, a dužina koherencije lasera definira udaljenost na kojoj se vremenska koherencija lasera održava na određenom kvalitetu.
6: Polarizacija
Polarizacija definira smjer električnog polja svjetlosnog vala, koji je uvijek okomit na smjer širenja. U većini slučajeva, laser će biti linearno polariziran, što znači da emitirano električno polje uvijek pokazuje u istom smjeru. Nepolarizovana svjetlost će imati električno polje koje je usmjereno u mnogo različitih smjerova. Stepen polarizacije se obično izražava kao omjer žižnih daljina svjetlosti u dva ortogonalno polarizirana stanja, npr. 100:1 ili 500:1.
Parametri zraka
Sljedeći parametri karakteriziraju oblik i kvalitet laserskog snopa.
7: Prečnik grede (tipične jedinice: mm do cm)
Prečnik snopa lasera karakteriše bočno proširenje snopa, odnosno njegovu fizičku dimenziju okomitu na pravac širenja. Obično se definiše kao širina 1/e2, koju postiže intenzitet snopa na 1/e2 (≈ 13,5%). U tački 1/e2, jačina električnog polja pada na 1/e (≈ 37%). Što je veći prečnik snopa, to je veća optika i ceo sistem da bi se izbeglo skraćivanje snopa, što povećava cenu. Međutim, smanjenje promjera snopa povećava gustoću snage/energije, što također može biti štetno.
8: Gustoća snage ili energije (tipične jedinice: W/cm2 do MW/cm2 ili µJ/cm2 do J/cm2)
Prečnik zraka se odnosi na gustinu snage/energije laserskog snopa ili optičku snagu/energiju po jedinici površine. Što je veći prečnik snopa, to je niža gustina snage/energije zraka sa konstantnom snagom ili energijom. Na konačnom izlazu sistema (npr. kod laserskog rezanja ili zavarivanja), velika gustina snage/energije je često poželjna, ali unutar sistema, niska koncentracija snage/energije je često korisna za sprečavanje oštećenja izazvanih laserom. Ovo takođe sprečava jonizaciju vazduha u oblasti velike snage/energetske gustine zraka. Iz ovih razloga, između ostalog, ekspanderi laserskog snopa se često koriste za povećanje prečnika i time smanjenje gustine snage/energije unutar laserskog sistema. Međutim, mora se voditi računa da se snop ne proširi toliko da snop bude zaklonjen od otvora u sistemu, što rezultira gubitkom energije i potencijalnim oštećenjima.
9: Profil snopa
Profil snopa lasera opisuje raspoređeni intenzitet u poprečnom presjeku snopa. Uobičajeni profili grede uključuju Gaussovu i ravnu gredu, čiji profili grede slijede Gaussovu i ravnu gredu (slika 4). Međutim, nijedan laser ne može proizvesti potpuno Gausov ili potpuno ravan gornji snop sa profilom zraka koji točno odgovara njegovoj vlastitoj funkciji, jer uvijek postoji određeni broj vrućih tačaka ili fluktuacija unutar lasera. Razlika između stvarnog profila snopa lasera i idealnog profila snopa obično se opisuje metrikom koja uključuje M2 faktor lasera.
Slika 4: Poređenje profila snopa Gausove grede iste prosječne snage ili intenziteta i grede s ravnim vrhom pokazuje da je vršni intenzitet Gausove grede dvostruko veći od snopa s ravnim vrhom.
10: Divergencija (tipične jedinice: mrad)
Iako se laserski snopovi obično 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 sa velikim radnim udaljenostima, kao što su LIDAR sistemi gde objekti mogu biti stotinama metara udaljeni od laserskog sistema, divergencija postaje posebno važno pitanje. Divergencija snopa je obično definisana polovičnim uglom lasera, a divergencija (θ) Gausovog snopa je definisana kao:
Slika.
λ je talasna dužina lasera, a w0 je struk lasera.
Konačni parametri sistema
Ovi konačni parametri opisuju performanse laserskog sistema na izlazu.
11: Veličina mrlje (tipična jedinica: µm)
Veličina tačke fokusiranog laserskog snopa opisuje prečnik zraka u fokusnoj tački sistema sočiva za fokusiranje. U mnogim aplikacijama, kao što su obrada materijala i medicinska hirurgija, cilj je minimizirati veličinu tačke. Ovo maksimizira gustinu snage i omogućava stvaranje izuzetno finih karakteristika. Asferična sočiva se često koriste umjesto tradicionalnih sfernih sočiva kako bi se minimizirala sferna aberacija i proizvele manje veličine žarišne točke. Neki tipovi laserskih sistema na kraju ne fokusiraju laser na tačku, u kom slučaju se ovaj parametar ne primjenjuje.
12: Radna udaljenost (tipične jedinice: µm do m)
Radna udaljenost laserskog sistema se obično definiše 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 aplikacije, kao što je daljinsko ispitivanje, obično imaju za cilj maksimiziranje raspona radne udaljenosti.
