Postoji širok raspon uobičajenih laserskih sustava koji se koriste u raznim primjenama kao što su obrada materijala, laserska kirurgija i daljinska detekcija, ali mnogi laserski sustavi imaju zajedničke ključne parametre. Uspostavljanje zajedničke terminologije za ove parametre sprječava pogreške u komunikaciji, a njihovo razumijevanje omogućuje ispravno specificiranje laserskog sustava i komponenti kako bi se zadovoljili zahtjevi primjene.
Slika 1: Shematski dijagram uobičajenog laserskog sustava za obradu materijala, gdje je svaki od 10 ključnih parametara laserskog sustava predstavljen odgovarajućim brojem
Osnovni parametri
Sljedeći osnovni parametri su najosnovniji koncepti laserskih sustava, a također su ključni za razumijevanje naprednijih točaka
1: Valna duljina (tipične jedinice: nm do um)
Valna duljina lasera opisuje prostornu frekvenciju emitiranog svjetlosnog vala. Optimalna valna duljina za određeni slučaj upotrebe uvelike ovisi o primjeni. Različiti materijali imat će jedinstvena svojstva apsorpcije ovisna o valnoj duljini u obradi materijala, što će rezultirati različitim interakcijama s materijalom. Slično tome, atmosferska apsorpcija i smetnje različito će utjecati na određene valne duljine u daljinskom očitavanju, a različiti kompleksi različito će apsorbirati određene valne duljine u medicinskim laserskim primjenama. Laseri kraće valne duljine i laserska optika korisni su za stvaranje malih i preciznih značajki s minimalnim perifernim zagrijavanjem jer je žarišna točka manja. Međutim, općenito su skuplji i osjetljiviji na oštećenja od lasera duže valne duljine.
2: Snaga i energija (Tipične jedinice: W ili J)
Snaga lasera mjeri se u vatima (W) i koristi se za opisivanje izlazne optičke snage lasera s kontinuiranim valom (CW) ili prosječne snage pulsirajućeg lasera. Pulsirajuće lasere karakterizira i energija impulsa, koja je proporcionalna prosječnoj snazi i obrnuto proporcionalna brzini ponavljanja lasera (slika 2). Energija se mjeri u džulima (J).
Slika 2: Vizualni prikaz odnosa između energije pulsa, brzine ponavljanja i prosječne snage pulsirajućeg lasera
Laseri veće snage i energije općenito su skuplji i stvaraju više otpadne topline. Održavanje kvalitete dugih svjetala također postaje sve teže kako snaga i energija rastu.
3: Trajanje pulsa (tipične jedinice: fs do ms)
Trajanje ili širina laserskog impulsa obično se definira kao puna širina na pola maksimuma (FWHM) laserske optičke snage u odnosu na vrijeme (Slika 3). Ultrabrzi laseri nude mnoge prednosti u nizu primjena uključujući preciznu obradu materijala i medicinske lasere. Karakteriziraju ih kratka trajanja pulsa reda veličine od pikosekundi (10-12 sekundi) do atosekundi (10-18 i manje
P(W)
1/Stopa ponavljanja
Vrijeme(a) kupnje javnog računa
Slika 3: Impulsi pulsirajućeg lasera razdvojeni su u vremenu obrnutom brzinom ponavljanja
4: Stopa ponavljanja (tipične jedinice: Hz do MHz)
Brzina ponavljanja ili frekvencija ponavljanja impulsa pulsirajućeg lasera opisuje broj emitiranih impulsa u sekundi ili obrnuti vremenski interval impulsa (Slika 3). Kao što je ranije spomenuto, brzina ponavljanja je obrnuto proporcionalna energiji pulsa i izravno proporcionalna prosječnoj snazi. Dok brzina ponavljanja općenito ovisi o mediju laserskog pojačanja, u mnogim slučajevima može varirati. Veće stope ponavljanja rezultiraju kraćim vremenima toplinske relaksacije na površini laserske optike i u konačnom fokusu, što rezultira bržim zagrijavanjem materijala.
5: Duljina koherencije (tipične jedinice: milimetri u metri)
Laser je koherentan, što znači da su električne struje u različitim vremenima ili na različitim mjestima koherentne. Postoji fiksni odnos između vrijednosti faze polja. To je zato što se laseri, za razliku od većine drugih vrsta izvora svjetlosti, proizvode stimuliranom emisijom. Duljina koherencije definira udaljenost preko koje vremenska koherencija laserskog svjetla ostaje konstantna tijekom širenja laserskog svjetla, bez degradacije tijekom procesa.
6: Polarizacija
Polarizacija definira smjer električnog polja svjetlosnog vala, "uvijek je okomit na smjer širenja. U većini slučajeva laserska svjetlost će biti linearno polarizirana, što znači da emitirano električno polje uvijek pokazuje u istom smjeru. Nepolarizirana svjetlost će imati električno polje usmjereno u mnogo različitih smjerova obično se izražava kao omjer optičke snage dvaju ortogonalnih polarizacijskih stanja, kao što je 100:1 ili 500:1.
Parametri snopa
Sljedeći parametri karakteriziraju oblik i kvalitetu laserske zrake.
7: Promjer grede (tipične jedinice: mm do cm)
Promjer laserskog snopa karakterizira bočno proširenje snopa ili njegovu fizičku veličinu okomito na smjer širenja. Obično se definira kao širina 1/e2, što je širina intenziteta snopa do 1/e2 (=13.5%). U točki 1/e2, intenzitet električnog polja pada na 1/e (=37%). Što je veći promjer snopa, to veća mora biti optika i cijeli sustav kako bi se izbjeglo skraćivanje snopa, što povećava troškove. Međutim, smanjenje promjera snopa povećava gustoću snage/energije, što također može biti štetno.
8: Gustoća snage ili energije (tipične jedinice: W/cm2 do MWicm2 ili uJ/cm2 do J/cm2)
Promjer zrake povezan je s gustoćom snage/energije laserske zrake. Gustoća energije ili količina optičke snage/energije po jedinici površine. Što je veći promjer snopa, manja je gustoća snage/energije snopa za konstantnu snagu ili energiju. Visoka gustoća snage/energije često je poželjna na konačnom izlazu sustava (na primjer kod laserskog rezanja ili zavarivanja), ali niske koncentracije snage/energije često su korisne unutar sustava kako bi se spriječilo oštećenje izazvano laserom. Ovo također sprječava da područja visoke gustoće snage/energije zrake ioniziraju zrak. Iz tih razloga, između ostalog, ekspanderi laserske zrake često se koriste za povećanje promjera i time smanjenje gustoće snage/energije unutar laserskog sustava. Međutim, mora se paziti da se snop ne proširi previše kako ne bi bio blokiran od otvora u sustavu, što bi rezultiralo izgubljenom energijom i potencijalnom štetom.
9: Profil grede
Profil laserskog snopa opisuje raspodijeljeni intenzitet preko poprečnog presjeka snopa. Uobičajeni profili grede uključuju Gaussove grede i grede s ravnim vrhom, čiji profili snopa slijede Gaussovu funkciju odnosno funkciju ravnog vrha (slika 4). Međutim, nijedan laser ne može proizvesti potpuno Gaussovu ili potpuno ravnu zraku s profilom zrake koji točno odgovara njegovoj karakterističnoj funkciji, jer uvijek postoji određena količina vrućih točaka ili fluktuacija unutar lasera. Razlika između stvarnog profila laserske zrake i idealnog profila zrake često se opisuje metrikom uključujući M2 faktor lasera
Gaussov i ravni gornji profil grede
Slika 4: Usporedba profila Gaussovog snopa i snopa s ravnim vrhom jednake prosječne snage ili intenziteta pokazuje da je vršni intenzitet Gaussovog snopa dvostruko veći od snopa s ravnim vrhom
10: Divergencija (tipične jedinice: mrad)
Iako se laserske zrake često smatraju kolimiranima, one uvijek sadrže određenu količinu divergencije, koja opisuje stupanj do kojeg se zraka divergira na sve većim udaljenostima od struka laserske zrake zbog difrakcije. U aplikacijama velike udaljenosti, kao što su LiDAR sustavi, gdje objekti mogu biti stotinama metara udaljeni od laserskog sustava, divergencija postaje posebno važno pitanje. Divergencija snopa često se definira polukutom lasera, a divergencija Gaussovog snopa (0) definira se kao:
W je valna duljina lasera, a w0 je struk laserske zrake
Konačni parametri sustava
Ovi konačni parametri opisuju izvedbu laserskog sustava na izlazu
11: Veličina točke (tipične jedinice: um)
Veličina točke fokusirane laserske zrake opisuje promjer zrake u fokusu sustava leća za fokusiranje. U mnogim primjenama kao što su obrada materijala i medicinska kirurgija, cilj je minimizirati veličinu točke. Time se maksimizira gustoća snage i omogućuje stvaranje osobito finih značajki (Slika 5). Asferične leće često se koriste umjesto tradicionalnih sferičnih leća kako bi se smanjile sferne aberacije i proizvele manje žarišne točke. Neke vrste laserskih sustava u konačnici ne fokusiraju laser na točku, u kojem slučaju se ovaj parametar ne primjenjuje.
Slika 5: Eksperimenti laserske mikrostrojne obrade na Talijanskom institutu za tehnologiju pokazuju 10-struko povećanje učinkovitosti ablacije u nanosekundnom laserskom sustavu bušenja kada se veličina točke smanji s 220 um na 9 um pri konstantnoj brzini protoka
12: Radna udaljenost (tipične jedinice: um do m)
Radna udaljenost laserskog sustava obično se definira kao fizička udaljenost od konačnog optičkog elementa (obično fokusirajuće leće) do objekta ili površine na koju je laser fokusiran. Određene primjene, poput medicinskih lasera, obično nastoje smanjiti radnu udaljenost, dok druge, poput daljinskog očitavanja, obično imaju za cilj maksimizirati raspon radne udaljenosti.
