Istnieje szeroki zakres powszechnie stosowanych systemów laserowych w różnych zastosowaniach, takich jak obróbka materiałów, chirurgia laserowa i teledetekcja, ale wiele systemów laserowych ma wspólne kluczowe parametry. Ustalenie wspólnej terminologii dla tych parametrów zapobiega błędom komunikacyjnym, a ich zrozumienie pozwala na prawidłowe określenie systemu laserowego i komponentów w celu spełnienia wymagań aplikacji.
Rysunek 1: Schematyczny diagram typowego systemu obróbki materiałów laserowych, gdzie każdy z 10 kluczowych parametrów systemu laserowego jest reprezentowany przez odpowiedni numer
Podstawowe parametry
Poniższe podstawowe parametry stanowią najbardziej podstawowe koncepcje systemów laserowych i są również kluczowe dla zrozumienia bardziej zaawansowanych zagadnień
1: Długość fali (typowe jednostki: nm do um)
Długość fali lasera opisuje częstotliwość przestrzenną emitowanej fali świetlnej. Optymalna długość fali dla danego przypadku użycia jest w dużym stopniu zależna od zastosowania. Różne materiały będą miały unikalne właściwości absorpcji zależne od długości fali w przetwarzaniu materiałów, co spowoduje różne interakcje z materiałem. Podobnie absorpcja atmosferyczna i interferencja będą inaczej wpływać na pewne długości fal w teledetekcji, a różne kompleksy będą inaczej absorbować pewne długości fal w zastosowaniach laserów medycznych. Lasery o krótszej długości fali i optyka laserowa są korzystne w tworzeniu małych i precyzyjnych cech z minimalnym nagrzewaniem obwodowym, ponieważ ognisko jest mniejsze. Są jednak generalnie droższe i bardziej podatne na uszkodzenia niż lasery o dłuższej długości fali.
2: Moc i energia (typowe jednostki: W lub J)
Moc lasera mierzona jest w watach (W) i służy do opisu mocy optycznej lasera fali ciągłej (CW) lub średniej mocy lasera impulsowego. Lasery impulsowe charakteryzują się również energią impulsu, która jest proporcjonalna do średniej mocy i odwrotnie proporcjonalna do częstotliwości powtarzania lasera (rysunek 2). Energia mierzona jest w dżulach (J).
Rysunek 2: Wizualna reprezentacja zależności między energią impulsu, częstotliwością powtarzania i średnią mocą lasera impulsowego
Lasery o większej mocy i energii są zazwyczaj droższe i generują więcej ciepła odpadowego. Utrzymanie wysokiej jakości wiązki staje się coraz trudniejsze wraz ze wzrostem mocy i energii.
3: Czas trwania impulsu (typowe jednostki: fs do ms)
Czas trwania impulsu laserowego lub szerokość impulsu jest zwykle definiowana jako pełna szerokość w połowie maksimum (FWHM) mocy optycznej lasera w stosunku do czasu (rysunek 3). Ultraszybkie lasery oferują wiele zalet w zakresie zastosowań, w tym precyzyjnej obróbki materiałów i laserów medycznych. Charakteryzują się krótkimi czasami trwania impulsu rzędu pikosekund (10-12 sekund) do attosekund (10-18 i mniej
P(W)
1/Częstotliwość powtórzeń
Zakup czasu konta publicznego
Rysunek 3: Impulsy lasera impulsowego są rozdzielone w czasie o odwrotność częstotliwości powtarzania
4: Częstotliwość powtarzania (typowe jednostki: Hz do MHz)
Częstotliwość powtarzania lub częstotliwość powtarzania impulsów lasera impulsowego opisuje liczbę impulsów emitowanych na sekundę lub odwrotny interwał czasowy impulsu (rysunek 3). Jak wspomniano wcześniej, częstotliwość powtarzania jest odwrotnie proporcjonalna do energii impulsu i wprost proporcjonalna do średniej mocy. Podczas gdy częstotliwość powtarzania jest ogólnie zależna od ośrodka wzmocnienia lasera, w wielu przypadkach może się zmieniać. Wyższe częstotliwości powtarzania skutkują krótszymi czasami relaksacji termicznej na powierzchni optyki lasera i w końcowym ognisku, co skutkuje szybszym nagrzewaniem materiału.
5: Długość koherencji (typowe jednostki: milimetry na metry)
Laser jest spójny, co oznacza, że prądy elektryczne w różnych momentach lub miejscach są spójne. Istnieje stały związek między wartościami fazy pola. Dzieje się tak, ponieważ lasery, w przeciwieństwie do większości innych typów źródeł światła, są wytwarzane przez emisję wymuszoną. Długość koherencji definiuje odległość, na której czasowa koherencja światła laserowego pozostaje stała przez cały czas propagacji światła laserowego, bez degradacji w trakcie procesu.
6: Polaryzacja
Polaryzacja definiuje kierunek pola elektrycznego fali świetlnej, „jest zawsze prostopadła do kierunku propagacji. W większości przypadków światło laserowe będzie spolaryzowane liniowo, co oznacza, że emitowane pole elektryczne zawsze jest skierowane w tym samym kierunku. Światło niespolaryzowane będzie miało pole elektryczne skierowane w wielu różnych kierunkach. Stopień polaryzacji jest zwykle wyrażony jako stosunek mocy optycznej dwóch ortogonalnych stanów polaryzacji, takich jak 100:1 lub 500:1.
Parametry belki
Poniższe parametry charakteryzują kształt i jakość wiązki laserowej.
7: Średnica belki (typowe jednostki: mm do cm)
Średnica wiązki lasera charakteryzuje boczne rozszerzenie wiązki lub jej fizyczny rozmiar prostopadły do kierunku propagacji. Zwykle jest definiowana jako szerokość 1/e2, która jest szerokością intensywności wiązki do 1/e2 (=13.5%). W punkcie 1/e2 intensywność pola elektrycznego spada do 1/e (=37%). Im większa średnica wiązki, tym większa musi być optyka i cały system, aby uniknąć ucięcia wiązki, co zwiększa koszty. Jednak zmniejszenie średnicy wiązki zwiększa gęstość mocy/energii, co również może być szkodliwe.
8: Moc lub gęstość energii (typowe jednostki: W/cm2 do MWicm2 lub uJ/cm2 do J/cm2)
Średnica wiązki jest związana z gęstością mocy/energii wiązki laserowej. Gęstość energii lub ilość mocy optycznej/energii na jednostkę powierzchni. Im większa średnica wiązki, tym niższa gęstość mocy/energii wiązki dla stałej mocy lub energii. Wysoka gęstość mocy/energii jest często pożądana na końcowym wyjściu systemu (na przykład w cięciu laserowym lub spawaniu), ale niskie stężenia mocy/energii są często korzystne wewnątrz systemu, aby zapobiec uszkodzeniom wywołanym przez laser. Zapobiega to również jonizowaniu powietrza przez obszary o wysokiej gęstości mocy/energii wiązki. Z tych powodów, między innymi, często stosuje się ekspandery wiązki laserowej w celu zwiększenia średnicy, a tym samym zmniejszenia gęstości mocy/energii wewnątrz systemu laserowego. Należy jednak uważać, aby nie rozszerzać wiązki zbyt mocno, tak aby nie została zablokowana przez otwory w systemie, co prowadziłoby do marnowania energii i potencjalnych uszkodzeń.
9: Profil belki
Profil wiązki lasera opisuje rozłożoną intensywność na przekroju poprzecznym wiązki. Typowe profile wiązki obejmują wiązki Gaussa i belki o płaskim wierzchołku, których profile wiązki podążają odpowiednio za funkcją Gaussa i funkcją płaskiego wierzchołka (Rysunek 4). Jednak żaden laser nie może wytworzyć całkowicie gaussowskiej lub całkowicie płaskiej wiązki z profilem wiązki, który dokładnie odpowiada jego charakterystycznej funkcji, ponieważ wewnątrz lasera zawsze występuje pewna liczba gorących punktów lub fluktuacji. Różnica między rzeczywistym profilem wiązki lasera a idealnym profilem wiązki jest często opisywana za pomocą metryk, w tym współczynnika M2 lasera.
Profile belek górnych Gaussa i płaskich
Rysunek 4: Porównanie profili wiązki Gaussa i wiązki o płaskim wierzchołku o takiej samej średniej mocy lub intensywności pokazuje, że szczytowa intensywność wiązki Gaussa jest dwukrotnie większa niż wiązki o płaskim wierzchołku
10: Dywergencja (typowe jednostki: mrad)
Podczas gdy wiązki laserowe są często uważane za skolimowane, zawsze zawierają pewną ilość dywergencji, która opisuje stopień, w jakim wiązka rozbiega się przy wzrastających odległościach od talii wiązki lasera z powodu dyfrakcji. W zastosowaniach o dużej odległości roboczej, takich jak systemy LiDAR, gdzie obiekty mogą znajdować się setki metrów od systemu laserowego, dywergencja staje się szczególnie ważną kwestią. Dywergencja wiązki jest często definiowana przez połowę kąta lasera, a dywergencja wiązki Gaussa (0) jest definiowana jako:
W to długość fali lasera, a w0 to szerokość wiązki lasera
Końcowe parametry systemu
Te końcowe parametry opisują wydajność układu laserowego na wyjściu
11: Rozmiar plamki (typowe jednostki: um)
Rozmiar plamki skupionej wiązki laserowej opisuje średnicę wiązki w ognisku układu soczewek skupiających. W wielu zastosowaniach, takich jak obróbka materiałów i chirurgia medyczna, celem jest zminimalizowanie rozmiaru plamki. Maksymalizuje to gęstość mocy i umożliwia tworzenie szczególnie drobnych cech (rysunek 5). Soczewki asferyczne są często używane zamiast tradycyjnych soczewek sferycznych w celu zmniejszenia aberracji sferycznych i uzyskania mniejszych rozmiarów plamki ogniskowej. Niektóre typy układów laserowych ostatecznie nie skupiają lasera na plamce, w takim przypadku ten parametr nie ma zastosowania.
Rysunek 5: Eksperymenty z mikroobróbką laserową przeprowadzone na Włoskim Instytucie Technologii wykazują 10-krotny wzrost wydajności ablacji w nanosekundowym systemie wiercenia laserowego, gdy rozmiar plamki zostanie zmniejszony z 220 um do 9 um przy stałej szybkości przepływu
12: Odległość robocza (typowe jednostki: um do m)
Odległość robocza systemu laserowego jest zazwyczaj definiowana jako fizyczna odległość od końcowego elementu optycznego (zwykle soczewki skupiającej) do obiektu lub powierzchni, na której skupia się laser. Niektóre zastosowania, takie jak lasery medyczne, zazwyczaj dążą do zminimalizowania odległości roboczej, podczas gdy inne, takie jak teledetekcja, zazwyczaj dążą do maksymalizacji zakresu odległości roboczej.
