Існує широкий спектр лазерних систем загального призначення для різних застосувань, таких як обробка матеріалів, лазерна хірургія та дистанційне зондування, але багато лазерних систем мають спільні ключові параметри. Встановлення загальної термінології для цих параметрів запобігає непорозумінням, а їх розуміння дозволяє правильно специфікувати лазерні системи та компоненти відповідно до вимог застосування.
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. Під час обробки матеріалів різні матеріали мають унікальні залежні від довжини хвилі властивості поглинання, що призводить до різних взаємодій з матеріалом. Подібним чином, при дистанційному зондуванні атмосферне поглинання та інтерференція можуть по-різному впливати на певні довжини хвиль, а в медичних лазерах різні комплекси можуть по-різному поглинати певні довжини хвиль. Лазери з меншою довжиною хвилі та лазерна оптика допомагають створювати маленькі, точні деталі з 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 опису 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).
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).
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 у зворотному часовому діапазоні (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 оптичній поверхні лазера та в кінцевому фокусі, 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 зменшується протягом процесу передачі, а довжина когерентності лазера визначає відстань, на якій тимчасова когерентність лазера залишається на певній якості.
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. Поляризація 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 фізичний розмір, перпендикулярний до напрямку поширення. Зазвичай вона визначається як ширина 1/e2, тобто ширина, досягнута 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 є шкідливим.
8: Щільність потужності або енергії (типові одиниці: Вт/см2 до МВт/см2 або мкДж/см2 до Дж/см2)
Діаметр променя залежить від щільності потужності/енергії лазерного променя або оптичної потужності/енергії на одиницю площі. Чим більший діаметр променя, тим нижча щільність потужності/енергії променя постійної потужності або постійної енергії. На кінцевому виході системи (наприклад, при лазерному різанні або зварюванні) зазвичай потрібна висока щільність потужності/енергії, але в системі низька концентрація потужності/енергії зазвичай 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 поширити промінь настільки, щоб промінь був закритий від отвору системи, що призведе до марної витрати енергії та потенційного пошкодження.
9: Профіль променя
Профіль променя лазера описує розподіл інтенсивності в поперечному перерізі променя. Загальні профілі пучків включають гаусівські та плоскі пучки, які відповідають функціям Гауса та плоскої вершини відповідно (рис. 4). Однак, оскільки всередині лазера завжди є певна кількість гарячих точок або флуктуацій, жоден лазер не може створити повністю гаусівський або повністю плосковершинний промінь, який точно відповідає його власній функції. Різниця між фактичним профілем променя лазера та ідеальним профілем променя зазвичай описується метрикою, що містить коефіцієнт M2 лазера.
10: Дивергенція (типова одиниця: мрад)
Хоча лазерні промені зазвичай вважаються колімованими, вони завжди містять певну розбіжність, яка описує ступінь, до якої промінь розходиться при збільшенні відстані від перетину лазерного променя через дифракцію. У програмах 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 в термінах напівкута лазера, а розбіжність (θ) гаусового променя визначається як.
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 (рис. 5). Асферичні лінзи часто використовуються замість звичайних сферичних лінз, щоб мінімізувати сферичну аберацію та створити менші розміри фокусної плями. Деякі типи лазерних систем остаточно не фокусують лазер на точці, у цьому випадку цей параметр не застосовується.
12: Робоча відстань (типова одиниця: 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 сфокусовано лазер. Деякі програми, такі як медичні лазери, часто прагнуть мінімізувати робочу відстань, тоді як інші програми, такі як дистанційне зондування, часто прагнуть максимізувати робочу відстань.
