Існує широкий спектр загальних лазерних систем для різних застосувань, включаючи обробку матеріалів, лазерну хірургію та дистанційне зондування, але багато лазерних систем мають спільні ключові параметри. Встановлення загальної термінології для цих параметрів запобігає недорозумінню, а їх розуміння дозволяє правильно визначати специфікації лазерних систем і компонентів відповідно до вимог застосування.
Рисунок 1: Схема загальної лазерної системи обробки матеріалу, де кожен із 10 ключових параметрів лазерної системи представлено відповідним числом
Основні параметри
Наступні основні параметри є найбільш фундаментальними поняттями лазерної системи та мають важливе значення для розуміння більш складних моментів.
1: Довжина хвилі (типові одиниці: нм до мкм)
Довжина хвилі лазера описує просторову частоту випромінюваної світлової хвилі. Оптимальна довжина хвилі для певного випадку використання сильно залежить від програми. Різні матеріали матимуть унікальні залежні від довжини хвилі властивості поглинання під час обробки матеріалу, що призводить до різної взаємодії з матеріалом. Подібним чином атмосферне поглинання та інтерференція по-різному впливатимуть на певні довжини хвиль у дистанційному зондуванні, а різні комплекси по-різному поглинатимуть певні довжини хвиль у медичних лазерах. Лазери з меншою довжиною хвилі та лазерна оптика полегшують створення дрібних точних елементів із мінімальним периферійним нагріванням, оскільки фокусна пляма менша. Однак вони зазвичай дорожчі та їх легше пошкодити, ніж лазери з довшою довжиною хвилі.
2: Потужність і енергія (типові одиниці: Вт або Дж)
Потужність лазера вимірюється у ватах (Вт) і використовується для характеристики вихідної оптичної потужності лазера безперервної хвилі (CW) або середньої потужності імпульсного лазера. Імпульсні лазери також характеризуються енергією імпульсу, яка пропорційна середній потужності та обернено пропорційна частоті повторення лазера (рис. 2). Енергія вимірюється в джоулях (Дж).
Рисунок 2: Візуальне представлення співвідношення між енергією імпульсу, частотою повторення та середньою потужністю імпульсного лазера
Лазери з більшою потужністю та енергією зазвичай дорожчі та виділяють більше відпрацьованого тепла. Підтримувати якість дальнього світла також стає складніше зі збільшенням потужності та енергії.
3: Тривалість імпульсу (типові одиниці: від фс до мс)
Тривалість або ширина імпульсу лазера зазвичай визначається як повна ширина на половині максимуму (FWHM) потужності лазерного світла в залежності від часу (рис. 3). Надшвидкісні лазери пропонують багато переваг у ряді застосувань, включаючи точну обробку матеріалів і медичні лазери, і характеризуються короткою тривалістю імпульсу приблизно від пікосекунд (10-12 секунд) до аттосекунд (10-18 секунд).
Малюнок 3: Імпульсні лазерні імпульси, розділені в часі зворотною частотою повторення
4: Частота повторення (типові одиниці: Гц до МГц)
Частота повторення або частота повторення імпульсів імпульсного лазера описує кількість імпульсів, що випромінюються за секунду, або інтервал імпульсів, обернений до часу (рис. 3). Як згадувалося раніше, частота повторення обернено пропорційна енергії імпульсу і прямо пропорційна середній потужності. Хоча частота повторення зазвичай залежить від середовища посилення лазера, у багатьох випадках вона може змінюватися. Вищі частоти повторення призводять до коротшого часу теплової релаксації на поверхні лазерної оптики та в кінцевій точці фокусування, що призводить до швидшого нагрівання матеріалу.
5: Когерентна довжина (типові одиниці: міліметри в метри)
Лазери є когерентними, що означає, що існує фіксоване співвідношення між значеннями фази електричного поля в різний час або в різних місцях. Це пояснюється тим, що на відміну від більшості інших типів джерел світла, лазери виробляються за допомогою збудженого випромінювання. Когерентність погіршується протягом процесу розповсюдження, а довжина когерентності лазера визначає відстань, на якій тимчасова когерентність лазера підтримується з певною якістю.
6: Поляризація
Поляризація визначає напрямок електричного поля світлової хвилі, який завжди перпендикулярний до напрямку поширення. У більшості випадків лазер буде лінійно поляризованим, тобто випромінюване електричне поле завжди спрямоване в одному напрямку. Неполяризоване світло матиме електричне поле, яке вказує в різних напрямках. Ступінь поляризації зазвичай виражається як співвідношення фокусних відстаней світла в двох ортогонально поляризованих станах, наприклад 100:1 або 500:1.
Параметри променя
Наступні параметри характеризують форму і якість лазерного променя.
7: Діаметр балки (типові одиниці: мм до см)
Діаметр променя лазера характеризує поперечне розширення променя або його фізичний розмір, перпендикулярний до напрямку поширення. Зазвичай вона визначається як ширина 1/e2, яка досягається інтенсивністю променя при 1/e2 (≈ 13,5%). У точці 1/e2 напруженість електричного поля падає до 1/e (≈ 37%). Чим більше діаметр променя, тим більше повинна бути оптика і вся система, щоб уникнути зрізання променя, що збільшує вартість. Однак зменшення діаметра променя збільшує щільність потужності/енергії, що також може бути шкідливим.
8: Щільність потужності або енергії (типові одиниці: Вт/см2 до МВт/см2 або мкДж/см2 до Дж/см2)
Діаметр променя стосується щільності потужності/енергії лазерного променя або оптичної потужності/енергії на одиницю площі. Чим більший діаметр променя, тим менша щільність потужності/енергії променя з постійною потужністю або енергією. На кінцевому виході системи (наприклад, при лазерному різанні або зварюванні) часто бажана висока щільність потужності/енергії, але в системі низька концентрація потужності/енергії часто є корисною для запобігання пошкодженню, спричиненому лазером. Це також запобігає іонізації повітря в області високої потужності/щільності енергії променя. З цих причин, серед інших, розширювачі лазерного променя часто використовуються для збільшення діаметра і, таким чином, зменшення щільності потужності/енергії всередині лазерної системи. Однак слід бути обережним, щоб не розширити промінь настільки, щоб промінь був закритий від отворів у системі, що призвело б до марної витрати енергії та потенційного пошкодження.
9: Профіль променя
Профіль променя лазера описує розподіл інтенсивності в поперечному перерізі променя. Звичайні профілі пучка включають гаусівські та плоскі пучки, чиї профілі пучків відповідають функціям Гауса та плоскої вершини відповідно (рис. 4). Однак жоден лазер не може створити повністю гаусівський або повністю плоский верхній промінь з профілем променя, який точно відповідає його власній функції, оскільки всередині лазера завжди є певна кількість гарячих точок або коливань. Різниця між фактичним профілем променя лазера та ідеальним профілем променя зазвичай описується метрикою, яка включає коефіцієнт M2 лазера.
Рисунок 4: Порівняння профілю пучка Гаусса з однаковою середньою потужністю або інтенсивністю та пучка з плоскою вершиною показує, що пікова інтенсивність пучка Гаусса вдвічі більша, ніж у пучка з плоскою вершиною.
10: Розбіжність (типові одиниці: мрад)
Хоча лазерні промені зазвичай вважаються колімованими, вони завжди містять певну розбіжність, яка описує ступінь, до якої промінь розходиться на зростаючих відстанях від талії лазерного променя через дифракцію. У додатках із великою робочою відстанню, таких як системи LIDAR, де об’єкти можуть перебувати на відстані сотень метрів від лазерної системи, розбіжність стає особливо важливою проблемою. Розбіжність променя зазвичай визначається половинним кутом лазера, а розбіжність (θ) гаусового променя визначається як:
Картина.
λ – довжина хвилі лазера, а w0 – перетяжка променя лазера.
Остаточні параметри системи
Ці кінцеві параметри описують продуктивність лазерної системи на виході.
11: Розмір плями (типова одиниця: мкм)
Розмір плями сфокусованого лазерного променя описує діаметр променя в фокальній точці системи фокусуючих лінз. У багатьох сферах застосування, таких як обробка матеріалів і медична хірургія, метою є мінімізація розміру плями. Це максимізує щільність потужності та дозволяє створювати винятково тонкі характеристики. Асферичні лінзи часто використовуються замість традиційних сферичних лінз, щоб мінімізувати сферичну аберацію та створити менші розміри фокусної плями. Деякі типи лазерних систем остаточно не фокусують лазер на точку, у цьому випадку цей параметр не застосовується.
12: Робоча відстань (типові одиниці: мкм до м)
Робоча відстань лазерної системи зазвичай визначається як фізична відстань від кінцевого оптичного елемента (зазвичай фокусуючої лінзи) до об’єкта або поверхні, на яку фокусується лазер. Деякі програми, такі як медичні лазери, зазвичай прагнуть мінімізувати робочу відстань, тоді як інші програми, такі як дистанційне зондування, зазвичай прагнуть максимізувати робочу відстань.
