Det finnes et bredt spekter av vanlige lasersystemer for en rekke bruksområder, inkludert materialbehandling, laserkirurgi og fjernmåling, men mange lasersystemer deler felles nøkkelparametere. Etablering av felles terminologi for disse parameterne forhindrer feilkommunikasjon, og forståelsen av dem gir mulighet for riktig spesifikasjon av lasersystemer og komponenter for å møte applikasjonskravene.
Figur 1: Skjematisk av et vanlig lasermaterialbehandlingssystem, der hver av de 10 nøkkelparametrene til et lasersystem er representert med et tilsvarende tall
Grunnleggende parametere
Følgende grunnleggende parametere er de mest grunnleggende konseptene til et lasersystem og er avgjørende for å forstå de mer avanserte punktene.
1: Bølgelengde (typiske enheter: nm til µm)
Bølgelengden til en laser beskriver den romlige frekvensen til den utsendte lysbølgen. Den optimale bølgelengden for et gitt brukstilfelle er svært avhengig av applikasjonen. Ulike materialer vil ha unike bølgelengdeavhengige absorpsjonsegenskaper i materialbehandling, noe som resulterer i ulik interaksjon med materialet. Tilsvarende vil atmosfærisk absorpsjon og interferens påvirke visse bølgelengder forskjellig i fjernmåling, og ulike komplekser vil absorbere visse bølgelengder forskjellig i medisinske laserapplikasjoner. Kortere bølgelengdelasere og laseroptikk gjør det lettere å lage små, presise funksjoner med minimal perifer oppvarming fordi brennpunktet er mindre. Imidlertid er de vanligvis dyrere og lettere skadet enn lasere med lengre bølgelengde.
2: Effekt og energi (typiske enheter: W eller J)
Effekten til en laser måles i watt (W) og brukes til å karakterisere den optiske utgangseffekten til en laser med kontinuerlig bølge (CW) eller gjennomsnittseffekten til en pulserende laser. Pulserende lasere er også preget av deres pulsenergi, som er proporsjonal med gjennomsnittseffekten og omvendt proporsjonal med repetisjonshastigheten til laseren (Figur 2). Energi måles i joule (J).
Figur 2: Visuell representasjon av forholdet mellom pulsenergi, repetisjonshastighet og gjennomsnittlig kraft til en pulset laser
Lasere med høyere effekt og energi er vanligvis dyrere og produserer mer spillvarme. Å opprettholde høy strålekvalitet blir også vanskeligere med økende kraft og energi.
3: Pulsvarighet (typiske enheter: fs til ms)
Laserpulsvarighet eller pulsbredde er vanligvis definert som full bredde ved halvmaksimum (FWHM) av laserlyseffekten kontra tid (Figur 3). Ultraraske lasere tilbyr mange fordeler i en rekke bruksområder, inkludert prosessering av presisjonsmaterialer og medisinske lasere, og er preget av korte pulsvarigheter på omtrent picosekunder (10-12 sekunder) til attosekunder (10-18 sekunder).
Figur 3: Pulserte laserpulser adskilt i tid med gjensidigheten av repetisjonsfrekvensen
4: Gjentakelsesfrekvens (typiske enheter: Hz til MHz)
Gjentakelsesfrekvensen eller pulsrepetisjonsfrekvensen til en pulserende laser beskriver antall pulser som sendes ut per sekund eller det inverse tidspulsintervallet (Figur 3). Som nevnt tidligere er repetisjonshastigheten omvendt proporsjonal med pulsenergien og direkte proporsjonal med gjennomsnittseffekten. Mens repetisjonsfrekvensen vanligvis avhenger av laserforsterkningsmediet, kan den variere i mange tilfeller. Høyere repetisjonshastigheter resulterer i kortere termisk avslapningstid ved overflaten av laseroptikken og ved det endelige fokuspunktet, noe som fører til raskere materialoppvarming.
5: Koherenslengde (typiske enheter: millimeter til meter)
Lasere er koherente, noe som betyr at det er et fast forhold mellom faseverdiene til det elektriske feltet til forskjellige tider eller steder. Dette er fordi i motsetning til de fleste andre typer lyskilder, produseres lasere av eksitert emisjon. Koherens degraderes gjennom forplantningsprosessen, og koherenslengden til en laser definerer en avstand over hvilken den tidsmessige koherensen til laseren opprettholdes ved en viss kvalitet.
6: Polarisering
Polarisering definerer retningen til det elektriske feltet til en lysbølge, som alltid er vinkelrett på forplantningsretningen. I de fleste tilfeller vil laseren være lineært polarisert, noe som betyr at det utsendte elektriske feltet alltid peker i samme retning. Upolarisert lys vil ha et elektrisk felt som peker i mange forskjellige retninger. Graden av polarisering uttrykkes vanligvis som forholdet mellom brennviddene til lys i to ortogonalt polariserte tilstander, f.eks. 100:1 eller 500:1.
Stråleparametere
Følgende parametere karakteriserer formen og kvaliteten til en laserstråle.
7: Bjelkediameter (typiske enheter: mm til cm)
Strålediameteren til en laser karakteriserer den laterale forlengelsen av strålen, eller dens fysiske dimensjon vinkelrett på forplantningsretningen. Det er vanligvis definert som 1/e2-bredden, som nås av stråleintensiteten ved 1/e2 (≈ 13,5%). Ved 1/e2-punktet synker den elektriske feltstyrken til 1/e (≈ 37%). Jo større strålediameteren er, desto større må optikken og hele systemet være for å unngå avkorting av strålen, noe som øker kostnadene. En reduksjon i strålediameter øker imidlertid effekt/energitettheten, noe som også kan være skadelig.
8: Effekt eller energitetthet (typiske enheter: W/cm2 til MW/cm2 eller µJ/cm2 til J/cm2)
Strålediameteren er relatert til effekt/energitettheten til laserstrålen eller den optiske kraften/energien per arealenhet. Jo større strålediameter, jo lavere effekt/energitetthet har en stråle med konstant effekt eller energi. Ved den endelige utgangen av systemet (f.eks. ved laserskjæring eller sveising), er en høy effekt/energitetthet ofte ønskelig, men i systemet er en lav effekt/energikonsentrasjon ofte fordelaktig for å forhindre laserindusert skade. Dette forhindrer også ionisering av luften i området med høy effekt/energitetthet av strålen. Av disse grunner brukes ofte laserstråleekspandere for å øke diameteren og dermed redusere kraft/energitettheten inne i lasersystemet. Man må imidlertid passe på å ikke utvide strålen så mye at strålen skjules fra åpningene i systemet, noe som resulterer i bortkastet energi og potensiell skade.
9: Stråleprofil
Stråleprofilen til en laser beskriver den fordelte intensiteten i stråletverrsnittet. Vanlige bjelkeprofiler inkluderer gaussiske og flat-top-bjelker, hvis bjelkeprofiler følger henholdsvis Gauss- og flattop-funksjonene (Figur 4). Ingen laser kan imidlertid produsere en helt gaussisk eller helt flat toppstråle med en stråleprofil som nøyaktig matcher dens egenfunksjon, fordi det alltid er et visst antall hot spots eller fluktuasjoner inne i laseren. Forskjellen mellom den faktiske stråleprofilen til en laser og den ideelle stråleprofilen er vanligvis beskrevet av en metrikk som inkluderer M2-faktoren til laseren.
Figur 4: En sammenligning av stråleprofilen til en Gauss-stråle med samme gjennomsnittlige kraft eller intensitet og en flat-top-stråle viser at toppintensiteten til Gauss-strålen er det dobbelte av den flat-top-strålen.
10: Divergens (typiske enheter: mrad)
Selv om laserstråler vanligvis anses som kollimerte, inneholder de alltid en viss divergens, som beskriver i hvilken grad strålen divergerer i økende avstand fra laserens strålemidje på grunn av diffraksjon. I applikasjoner med lange driftsavstander, som LIDAR-systemer der objekter kan være hundrevis av meter unna lasersystemet, blir divergens et spesielt viktig tema. Stråledivergens er vanligvis definert av halvvinkelen til laseren, og divergensen (θ) til en gaussisk stråle er definert som:
Bilde.
λ er bølgelengden til laseren og w0 er strålemidjen til laseren.
Endelige systemparametere
Disse siste parameterne beskriver ytelsen til lasersystemet ved utgang.
11: Flekkstørrelse (typisk enhet: µm)
Punktstørrelsen til en fokusert laserstråle beskriver strålediameteren ved fokuspunktet til fokuseringslinsesystemet. I mange applikasjoner, som materialbehandling og medisinsk kirurgi, er målet å minimere punktstørrelsen. Dette maksimerer strømtettheten og gjør det mulig å lage eksepsjonelt fine funksjoner. Asfæriske linser brukes ofte i stedet for tradisjonelle sfæriske linser for å minimere sfærisk aberrasjon og produsere mindre brennpunktstørrelser. Noen typer lasersystemer fokuserer ikke laseren til punktet til slutt, i så fall gjelder ikke denne parameteren.
12: Arbeidsavstand (typiske enheter: µm til m)
Arbeidsavstanden til et lasersystem er vanligvis definert som den fysiske avstanden fra det endelige optiske elementet (vanligvis fokuseringslinsen) til objektet eller overflaten som laseren er fokusert på. Enkelte applikasjoner, for eksempel medisinske lasere, søker vanligvis å minimere arbeidsavstanden, mens andre applikasjoner, som fjernmåling, vanligvis tar sikte på å maksimere arbeidsavstanden.
