Постоји широк спектар уобичајених ласерских система који се користе у различитим апликацијама као што су обрада материјала, ласерска хирургија и даљинско испитивање, али многи ласерски системи имају заједничке кључне параметре. Успостављање заједничке терминологије за ове параметре спречава грешке у комуникацији, а њихово разумевање омогућава да ласерски систем и компоненте буду исправно специфицирани како би испунили захтеве апликације.
Слика 1: Шематски дијаграм уобичајеног система за обраду ласерског материјала, где је сваки од 10 кључних параметара ласерског система представљен одговарајућим бројем
Основни параметри
Следећи основни параметри су најосновнији концепти ласерских система, а такође су критични за разумевање напреднијих тачака
1: Таласна дужина (типичне јединице: нм до ум)
Таласна дужина ласера описује просторну фреквенцију емитованог светлосног таласа. Оптимална таласна дужина за дати случај употребе у великој мери зависи од примене. Различити материјали ће имати јединствена својства апсорпције зависне од таласне дужине у обради материјала, што резултира различитим интеракцијама са материјалом. Слично томе, атмосферска апсорпција и сметње ће утицати на одређене таласне дужине различито у даљинском сензору, а различити комплекси ће различито апсорбовати одређене таласне дужине у медицинским ласерским апликацијама. Ласери краће таласне дужине и ласерска оптика су корисни за стварање малих и прецизних карактеристика са минималним периферним грејањем јер је фокусна тачка мања. Међутим, они су генерално скупљи и подложнији оштећењима од ласера дужине таласне дужине.
2: Снага и енергија (типичне јединице: В или Ј)
Снага ласера се мери у ватима (В) и користи се за описивање излазне оптичке снаге ласера са континуалним таласом (ЦВ) или просечне снаге импулсног ласера. Пулсне ласере карактерише и њихова импулсна енергија, која је пропорционална просечној снази и обрнуто пропорционална брзини понављања ласера (слика 2). Енергија се мери у џулима (Ј).
Слика 2: Визуелни приказ односа између енергије импулса, брзине понављања и просечне снаге импулсног ласера
Ласери веће снаге и енергије су генерално скупљи и стварају више отпадне топлоте. Одржавање високог квалитета зрака такође постаје све теже како се повећавају снага и енергија.
3: Трајање импулса (типичне јединице: фс до мс)
Трајање ласерског импулса или ширина импулса се обично дефинише као пуна ширина на пола максимума (ФВХМ) оптичке снаге ласера у односу на време (Слика 3). Ултрабрзи ласери нуде многе предности у низу примена, укључујући прецизну обраду материјала и медицинске ласере. Карактерише их кратко трајање импулса реда пикосекунди (10-12 секунди) до атосекунди (10-18 и мање
P(W)
1/Репетитфион Рате
Времена куповине јавног налога
Слика 3: Импулси пулсирајућег ласера су временски раздвојени за разлику од брзине понављања
4: Стопа понављања (типичне јединице: Хз до МХз)
Брзина понављања или фреквенција понављања импулса импулсног ласера описује број емитованих импулса у секунди или инверзни временски интервал импулса (слика 3). Као што је раније поменуто, стопа понављања је обрнуто пропорционална енергији импулса и директно пропорционална просечној снази. Иако је стопа понављања генерално зависна од медија за појачавање ласера, у многим случајевима може да варира. Веће стопе понављања резултирају краћим временима термалне релаксације на површини ласерске оптике и на коначном фокусу, што резултира бржим загревањем материјала.
5: Дужина кохерентности (типичне јединице: милиметри у метри)
Ласер је кохерентан, што значи да су електричне струје у различитим временима или на различитим локацијама кохерентне. Постоји фиксни однос између вредности фазе поља. То је зато што се ласери, за разлику од већине других врста извора светлости, производе стимулисаном емисијом. Дужина кохерентности дефинише раздаљину на којој временска кохерентност ласерске светлости остаје константна током ширења ласерске светлости, без деградације током процеса.
6: Поларизација
Поларизација дефинише правац електричног поља светлосног таласа, "оно је увек окомито на правац простирања. У већини случајева, ласерска светлост ће бити линеарно поларизована, што значи да емитовано електрично поље увек показује у истом правцу. Неполаризована светлост ће имати електрично поље усмерено у много различитих праваца. Степен поларизације се обично изражава као однос оптичке снаге два ортогонална поларизационих стања, као што је 100:1 или 500:1.
Параметри зрака
Следећи параметри карактеришу облик и квалитет ласерског зрака.
7: Пречник снопа (типичне јединице: мм до цм)
Пречник снопа ласера карактерише бочно продужење зрака, или његову физичку величину управно на правац простирања. Обично се дефинише као ширина 1/е2, што је ширина интензитета зрака до 1/е2 (=13.5%). У тачки 1/е2, интензитет електричног поља пада на 1/е (=37%). Што је већи пречник снопа, већа је оптика и цео систем да би се избегло скраћење снопа, што повећава трошкове. Међутим, смањење пречника зрака повећава густину снаге/енергије, што такође може бити штетно.
8: Густина снаге или енергије (типичне јединице: В/цм2 до МВицм2 или уЈ/цм2 до Ј/цм2)
Пречник зрака је повезан са густином снаге/енергије ласерског зрака. Густина енергије, или количина оптичке снаге/енергије по јединици површине. Што је већи пречник снопа, то је нижа густина снаге/енергије зрака за константну снагу или енергију. Висока густина снаге/енергије је често пожељна на коначном излазу система (на пример код ласерског сечења или заваривања), али ниске концентрације снаге/енергије су често корисне унутар система како би се спречила оштећења изазвана ласером. Ово такође спречава да области снопа велике снаге/енергетске густине јонизују ваздух. Из ових разлога, између осталог, експандери ласерског снопа се често користе за повећање пречника и тиме смањење густине снаге/енергије унутар ласерског система. Међутим, мора се пазити да се сноп не прошири превише тако да буде блокиран од отвора у систему, што резултира губитком енергије и потенцијалним оштећењима.
9: Профил снопа
Профил снопа ласера описује распоређени интензитет преко попречног пресека зрака. Уобичајени профили греда укључују Гаусове греде и греде са равним врхом, чији профили греда прате Гаусову функцију и функцију равног врха (слика 4). Међутим, ниједан ласер не може произвести потпуно Гаусов или потпуно раван сноп са профилом зрака који тачно одговара његовој карактеристичној функцији, јер увек постоји одређена количина врућих тачака или флуктуација унутар ласера. Разлика између стварног профила снопа ласера и идеалног профила зрака често се описује метриком укључујући М2 фактор ласера
Гаусови и равни профили горње греде
Слика 4: Поређење профила греде Гаусове греде и греде са равним горњим делом једнаке просечне снаге или интензитета показује да је вршни интензитет Гаусове греде двоструко већи од греде са равним горњим делом
10: Дивергенција (типичне јединице: мрад)
Иако се ласерски снопови често сматрају колимираним, они увек садрже одређену количину дивергенције, која описује степен до којег се сноп дивергује на растућој удаљености од струка ласерског зрака услед дифракције. У апликацијама на великим радним удаљеностима, као што су ЛиДАР системи, где објекти могу бити удаљени стотинама метара од ласерског система, дивергенција постаје посебно важно питање. Дивергенција зрака се често дефинише полууглом ласера, а дивергенција Гаусовог зрака (0) је дефинисана као:
В је таласна дужина ласера, а в0 је струк ласера
Коначни параметри система
Ови коначни параметри описују перформансе ласерског система на излазу
11: Величина тачке (типичне јединице: ум)
Величина тачке фокусираног ласерског зрака описује пречник зрака у фокусу система сочива за фокусирање. У многим апликацијама као што су обрада материјала и медицинска хирургија, циљ је минимизирати величину тачке. Ово максимизира густину снаге и омогућава стварање посебно финих карактеристика (слика 5). Асферична сочива се често користе уместо традиционалних сферних сочива да би се смањиле сферне аберације и произвеле мање величине жаришне тачке. Неки типови ласерских система на крају не фокусирају ласер на тачку, у ком случају се овај параметар не примењује.
Слика 5: Експерименти ласерске микромашинске обраде на Италијанском институту за технологију показују 10-путоструко повећање ефикасности аблације у наносекундном ласерском систему бушења када се величина тачке смањи са 220 ум на 9 ум уз константан проток
12: Радна удаљеност (типичне јединице: ум до м)
Радна удаљеност ласерског система се обично дефинише као физичка удаљеност од коначног оптичког елемента (обично сочива за фокусирање) до објекта или површине на коју је ласер фокусиран. Одређене апликације, као што су медицински ласери, обично настоје да минимизирају радну удаљеност, док друге, као што је даљинско детектовање, обично имају за циљ да максимизирају опсег своје радне удаљености.
