Existuje široká škála bežných laserových systémov pre rôzne aplikácie, vrátane spracovania materiálov, laserovej chirurgie a diaľkového snímania, ale mnohé laserové systémy majú spoločné kľúčové parametre. Zavedenie spoločnej terminológie pre tieto parametre zabraňuje nesprávnej komunikácii a ich pochopenie umožňuje správnu špecifikáciu laserových systémov a komponentov tak, aby vyhovovali požiadavkám aplikácie.
Obrázok 1: Schéma bežného laserového systému spracovania materiálu, kde každý z 10 kľúčových parametrov laserového systému je reprezentovaný zodpovedajúcim číslom
Základné parametre
Nasledujúce základné parametre sú najzákladnejšími konceptmi laserového systému a sú nevyhnutné na pochopenie pokročilejších bodov.
1: Vlnová dĺžka (typické jednotky: nm až µm)
Vlnová dĺžka lasera popisuje priestorovú frekvenciu vyžarovanej svetelnej vlny. Optimálna vlnová dĺžka pre daný prípad použitia veľmi závisí od aplikácie. Rôzne materiály budú mať jedinečné absorpčné vlastnosti závislé od vlnovej dĺžky pri spracovaní materiálu, čo vedie k rôznym interakciám s materiálom. Podobne atmosférická absorpcia a rušenie ovplyvnia určité vlnové dĺžky odlišne pri diaľkovom snímaní a rôzne komplexy budú absorbovať určité vlnové dĺžky odlišne v lekárskych laserových aplikáciách. Lasery s kratšou vlnovou dĺžkou a laserová optika uľahčujú vytváranie malých, presných prvkov s minimálnym periférnym ohrevom, pretože ohnisko je menšie. Zvyčajne sú však drahšie a ľahšie sa poškodia ako lasery s dlhšími vlnovými dĺžkami.
2: Výkon a energia (typické jednotky: W alebo J)
Výkon lasera sa meria vo wattoch (W) a používa sa na charakterizáciu optického výkonu lasera s kontinuálnou vlnou (CW) alebo priemerného výkonu pulzného lasera. Pulzné lasery sú tiež charakteristické svojou pulznou energiou, ktorá je úmerná priemernému výkonu a nepriamo úmerná opakovacej frekvencii lasera (obrázok 2). Energia sa meria v jouloch (J).
Obrázok 2: Vizuálne znázornenie vzťahu medzi energiou pulzu, frekvenciou opakovania a priemerným výkonom pulzného lasera
Lasery s vyšším výkonom a energiou sú zvyčajne drahšie a produkujú viac odpadového tepla. Udržiavanie kvality vysokého lúča sa tiež stáva zložitejším so zvyšujúcim sa výkonom a energiou.
3: Trvanie impulzu (typické jednotky: fs až ms)
Trvanie laserového pulzu alebo šírka pulzu je zvyčajne definovaná ako plná šírka pri polovičnom maxime (FWHM) výkonu laserového svetla v závislosti od času (obrázok 3). Ultrarýchle lasery ponúkajú mnoho výhod v celom rade aplikácií vrátane presného spracovania materiálov a medicínskych laserov a vyznačujú sa krátkym trvaním impulzov približne od pikosekúnd (10-12 sekúnd) až po attosekundy (10-18 sekúnd).
Obrázok 3: Pulzné laserové impulzy oddelené v čase prevrátenou hodnotou opakovacej frekvencie
4: Opakovacia frekvencia (typické jednotky: Hz až MHz)
Frekvencia opakovania alebo frekvencia opakovania impulzov pulzného lasera opisuje počet impulzov emitovaných za sekundu alebo inverzný časový interval impulzov (obrázok 3). Ako už bolo spomenuté, frekvencia opakovania je nepriamo úmerná energii impulzu a priamo úmerná priemernému výkonu. Aj keď frekvencia opakovania zvyčajne závisí od média zosilnenia lasera, v mnohých prípadoch sa môže líšiť. Vyššie opakovacie frekvencie majú za následok kratšie časy tepelnej relaxácie na povrchu laserovej optiky a v konečnom zaostrovacom bode, čo vedie k rýchlejšiemu ohrevu materiálu.
5: Koherenčná dĺžka (typické jednotky: milimetre až metre)
Lasery sú koherentné, čo znamená, že medzi fázovými hodnotami elektrického poľa v rôznych časoch alebo miestach existuje pevný vzťah. Je to preto, že na rozdiel od väčšiny iných typov svetelných zdrojov sa lasery vyrábajú excitovanou emisiou. Koherencia sa zhoršuje v priebehu procesu šírenia a koherentná dĺžka lasera definuje vzdialenosť, na ktorej sa udrží časová koherencia lasera v určitej kvalite.
6: Polarizácia
Polarizácia definuje smer elektrického poľa svetelnej vlny, ktorý je vždy kolmý na smer šírenia. Vo väčšine prípadov bude laser lineárne polarizovaný, čo znamená, že vyžarované elektrické pole smeruje vždy rovnakým smerom. Nepolarizované svetlo bude mať elektrické pole, ktoré smeruje do mnohých rôznych smerov. Stupeň polarizácie sa zvyčajne vyjadruje ako pomer ohniskových vzdialeností svetla v dvoch ortogonálne polarizovaných stavoch, napr. 100:1 alebo 500:1.
Parametre lúča
Nasledujúce parametre charakterizujú tvar a kvalitu laserového lúča.
7: Priemer lúča (typické jednotky: mm až cm)
Priemer lúča lasera charakterizuje bočné predĺženie lúča alebo jeho fyzikálny rozmer kolmo na smer šírenia. Zvyčajne sa definuje ako šírka 1/e2, ktorú dosiahne intenzita lúča pri 1/e2 (≈ 13,5 %). V bode 1/e2 intenzita elektrického poľa klesne na 1/e (≈ 37 %). Čím väčší je priemer lúča, tým väčšia musí byť optika a celý systém, aby sa predišlo skráteniu lúča, čo zvyšuje náklady. Zníženie priemeru lúča však zvyšuje hustotu výkonu/energie, čo môže byť tiež škodlivé.
8: Hustota výkonu alebo energie (typické jednotky: W/cm2 až MW/cm2 alebo µJ/cm2 až J/cm2)
Priemer lúča sa týka hustoty výkonu/energie laserového lúča alebo optického výkonu/energie na jednotku plochy. Čím väčší je priemer lúča, tým nižšia je hustota výkonu/energie lúča s konštantným výkonom alebo energiou. Na konečnom výstupe systému (napr. pri laserovom rezaní alebo zváraní) je často žiaduca vysoká hustota výkonu/energie, ale v rámci systému je nízka koncentrácia výkonu/energie často prospešná, aby sa zabránilo poškodeniu spôsobenému laserom. To tiež zabraňuje ionizácii vzduchu v oblasti vysokej hustoty výkonu/energie lúča. Z týchto dôvodov sa okrem iného často používajú expandéry laserového lúča na zväčšenie priemeru a tým zníženie hustoty výkonu/energie vo vnútri laserového systému. Je však potrebné dávať pozor, aby sa lúč neroztiahol natoľko, že by bol lúč zakrytý otvormi v systéme, čo má za následok plytvanie energiou a potenciálne poškodenie.
9: Profil lúča
Profil lúča lasera opisuje rozloženú intenzitu v priereze lúča. Bežné profily lúčov zahŕňajú gaussovské a ploché lúče, ktorých profily lúčov sledujú funkciu Gaussian a flat-top (obrázok 4). Žiadny laser však nemôže produkovať úplne gaussovský alebo úplne plochý horný lúč s profilom lúča, ktorý presne zodpovedá jeho vlastnej funkcii, pretože vo vnútri lasera vždy existuje určitý počet horúcich miest alebo fluktuácií. Rozdiel medzi skutočným profilom lúča lasera a ideálnym profilom lúča je zvyčajne opísaný metrikou, ktorá zahŕňa faktor M2 lasera.
Obrázok 4: Porovnanie profilu lúča Gaussovho lúča s rovnakým priemerným výkonom alebo intenzitou a plochého lúča ukazuje, že maximálna intenzita Gaussovho lúča je dvojnásobná v porovnaní s plochým lúčom.
10: Divergencia (typické jednotky: mrad)
Aj keď sa laserové lúče zvyčajne považujú za kolimované, vždy obsahujú určitú divergenciu, ktorá popisuje mieru, do akej sa lúč rozbieha v rastúcej vzdialenosti od pásu laserového lúča v dôsledku difrakcie. V aplikáciách s veľkými prevádzkovými vzdialenosťami, ako sú systémy LIDAR, kde môžu byť objekty vzdialené stovky metrov od laserového systému, sa divergencia stáva obzvlášť dôležitým problémom. Divergencia lúča je zvyčajne definovaná polovičným uhlom lasera a divergencia (θ) Gaussovho lúča je definovaná ako:
Obrázok.
λ je vlnová dĺžka lasera a w0 je pás laserového lúča.
Konečné parametre systému
Tieto konečné parametre popisujú výkon laserového systému na výstupe.
11: Veľkosť bodu (typická jednotka: µm)
Veľkosť bodu zaostreného laserového lúča opisuje priemer lúča v ohnisku systému zaostrovacích šošoviek. V mnohých aplikáciách, ako je spracovanie materiálov a lekárska chirurgia, je cieľom minimalizovať veľkosť miesta. To maximalizuje hustotu výkonu a umožňuje vytváranie výnimočne jemných funkcií. Asférické šošovky sa často používajú namiesto tradičných sférických šošoviek, aby sa minimalizovala sférická aberácia a vytvorili sa menšie ohniskové body. Niektoré typy laserových systémov v konečnom dôsledku nezamerajú laser na bod, v takom prípade tento parameter neplatí.
12: Pracovná vzdialenosť (typické jednotky: µm až m)
Pracovná vzdialenosť laserového systému je zvyčajne definovaná ako fyzická vzdialenosť od konečného optického prvku (zvyčajne zaostrovacej šošovky) k objektu alebo povrchu, na ktorý je laser zaostrený. Niektoré aplikácie, ako napríklad lekárske lasery, sa zvyčajne snažia minimalizovať pracovnú vzdialenosť, zatiaľ čo iné aplikácie, ako napríklad diaľkové snímanie, sa zvyčajne zameriavajú na maximalizáciu rozsahu pracovnej vzdialenosti.
