У різних сферах застосування, таких як обробка матеріалів, лазерна хірургія, дистанційне зондування тощолазерне маркуванняіснує безліч поширених лазерних систем. Багато з цих лазерних систем мають спільні ключові параметри. Встановлення універсальних термінів для цих параметрів може запобігти викривленню, і, розуміючи ці терміни, ви зможете правильно вказати лазерні системи та компоненти відповідно до потреб вашого застосування.
Рис. 1: Схематична діаграма звичайної лазерної системи обробки матеріалу, на якій 10 ключових параметрів лазерної системи представлені відповідними цифрами
NO.1 Довжина хвилі: Довжина хвилі лазера є основним параметром, який описує просторову частоту випромінюваної світлової хвилі. Лазери з різними довжинами хвиль відіграють роль у різних застосуваннях. Під час обробки матеріалів різні матеріали мають різні характеристики поглинання для різних довжин хвиль, тому взаємодія з матеріалом також відрізняється. Лазери з меншою довжиною хвилі та лазерна оптика мають переваги у створенні малих і точних елементів із меншим периферійним нагріванням. Однак ці пристрої зазвичай дорожчі та більш крихкі порівняно з лазерами з більшою довжиною хвилі.
NO.2 Потужність: Потужність лазера зазвичай вимірюється у ватах (Вт), використовується для опису вихідної оптичної потужності лазерів безперервної хвилі (CW) або середньої потужності імпульсних лазерів. Особливістю імпульсних лазерів є те, що їхня енергія імпульсу прямо пропорційна середній потужності та обернено пропорційна частоті повторення. Одиниця енергії — джоуль (Дж). Тому енергію імпульсу можна розрахувати, поділивши середню потужність на частоту повторення.
Малюнок 2: візуальне представлення співвідношення між енергією імпульсу, частотою повторення та середньою потужністю імпульсних лазерів Лазери з більшою потужністю та енергією, як правило, дорожчі та виділяють більше відпрацьованого тепла. Зі збільшенням потужності та енергії стає все важче підтримувати високу якість променя.
NO.3 Тривалість імпульсу:Тривалість імпульсу або ширина імпульсу лазера зазвичай визначається як час, потрібний лазеру для досягнення половини (FWHM) його максимальної оптичної потужності. Надшвидкісні лазери характеризуються короткою тривалістю імпульсу від пікосекунд (10-12 секунд) до аттосекунд (10-18 секунд).
Малюнок 3: Імпульсний інтервал імпульсного лазера є величиною, зворотною частоті повторення
NO.4 Швидкість повторення:Частота повторення імпульсного лазера описує кількість імпульсів, випромінюваних за секунду, яка є зворотною величиною інтервалу часу між імпульсами. На відміну від того, що було згадано раніше, частота повторення обернено пропорційна енергії імпульсу та прямо пропорційна середній потужності. Більш висока частота повторення означає, що час теплової релаксації поверхні лазерного оптичного елемента та кінцевої сфокусованої плями коротший, тому швидкість нагрівання матеріалу є швидшою.
NO.5 Когерентна довжина:Лазери мають когерентність, що означає, що існує фіксоване співвідношення між значеннями фази електричного поля в різні моменти часу або положення. Ця характеристика пояснюється тим фактом, що лазери виробляються за допомогою стимульованого випромінювання, яке відрізняється від більшості інших типів джерел світла. Хоча когерентність лазера поступово слабшає під час поширення, довжина когерентності лазера визначає відстань, на якій його часова когерентність залишається на певному рівні.
NO.6 Поляризація:Поляризація визначає напрямок електричного поля світлової хвилі, який завжди перпендикулярний до напрямку поширення. У більшості випадків лазер має лінійну поляризацію, тобто випромінюване електричне поле завжди спрямоване в одному напрямку. Навпаки, неполяризоване світло створює електричні поля, спрямовані в багатьох різних напрямках. Поляризація зазвичай виражається як співвідношення потужності світла між двома ортогональними поляризаційними станами, наприклад 100:1 або 500:1.
NO.7 Діаметр балки: Діаметр променя лазера описує поперечне розширення променя, тобто фізичний розмір, перпендикулярний до напрямку поширення. Зазвичай діаметр променя визначається за шириною 1/e², тобто в точці, де інтенсивність променя досягає 1/e² (приблизно 13,5%) від максимального значення. У цей момент напруженість електричного поля падає до 1/e (приблизно 37%) від максимального значення. Чим більший діаметр променя, тим більші оптичні компоненти та вся система потрібні, щоб уникнути відсікання променя, що призводить до збільшення витрат. Однак зменшення діаметра променя збільшить щільність потужності/енергії, що також призведе до негативних наслідків.
NO.8 Потужність або густина енергії: Потужність або щільність енергії відноситься до потужності променя або енергії на одиницю площі. Діаметр променя тісно пов'язаний із щільністю потужності/енергії. Коли потужність або енергія променя залишається постійною, чим більший діаметр променя, тим менша щільність потужності/енергії. Загалом, лазери з високою потужністю/щільністю енергії є ідеальним кінцевим виходом системи, наприклад, для лазерного різання або лазерного зварювання. Однак лазери з низькою щільністю потужності/енергії сприятливі для внутрішньої системи, можуть зменшити шкоду, спричинену лазерами, і запобігти іонізації повітря зоною високої потужності/високої щільності енергії.
NO.9 Профіль променя: Профіль пучка описує розподіл інтенсивності пучка по поперечному перерізу. Загальні профілі пучка включають гаусові пучки та пучки з плоскою вершиною, а їхні профілі пучків відповідають функціям Гауса та плоскої вершини відповідно. Однак, оскільки всередині лазера завжди є певна кількість гарячих точок або коливань, жоден лазер не може створити ідеальний промінь Гауса або ідеальний промінь з плоскою вершиною, який ідеально відповідає ідеальному профілю променя. Різниця між фактичним профілем променя лазера та ідеальним профілем променя зазвичай описується декількома показниками вимірювання (включно з коефіцієнтом M² лазера).
NO.10 Дивергенція:Хоча люди зазвичай думають, що лазерний промінь є колімованим світлом, насправді лазерний промінь завжди матиме певний ступінь розбіжності. Дивергенція описує ступінь дифузії променя відносно перетину променя після поширення на великі відстані внаслідок дифракції. У додатках із великими робочими відстанями, наприклад у лазерних радарних системах, де ціль і лазерна система можуть перебувати на відстані сотень метрів одна від одної, розбіжність стає особливо важливою проблемою. Розбіжність променя зазвичай визначається півкутом лазера, а кут розбіжності (θ) гаусового променя визначається як λ — довжина хвилі лазера, а w0 — перетяжка лазерного променя.
NO.11 Розмір плями: Розмір плями описує діаметр плями сфокусованого лазерного променя, розташованого у фокусі системи фокусуючих лінз. У багатьох сферах застосування, таких як обробка матеріалів і медична хірургія, нашою метою є мінімізація розміру плями. Це може максимізувати щільність потужності та створити особливо тонкі функції. Асферичні лінзи часто використовуються замість традиційних сферичних лінз для зменшення сферичних аберацій і розміру плями. У деяких типах лазерних систем лазер не сфокусує лазер у точці, тому в цьому випадку цей параметр не застосовується.
Рис. 5: Експерименти з лазерної мікрообробки в Італійському технологічному інституті показують, що ефективність абляції наносекундної лазерної системи свердління зростає в десять разів, коли розмір плями зменшується з 220 мікрон до 9 мікронів за постійного потоку.
