Postoji širok raspon laserskih sustava opće namjene za različite primjene kao što su obrada materijala, laserska kirurgija i daljinska detekcija, ali mnogi laserski sustavi dijele zajedničke ključne parametre. Uspostavljanje zajedničke terminologije za ove parametre sprječava nesporazume, a njihovo razumijevanje omogućuje pravilnu specifikaciju laserskih sustava i komponenti kako bi se ispunili zahtjevi primjene.
Osnovni parametri
Sljedeći osnovni parametri su najtemeljniji koncepti laserskog sustava i ključni su za razumijevanje naprednijih točaka.
1: Valna duljina (tipične jedinice: nm do µm)
Valna duljina lasera opisuje prostornu frekvenciju emitiranog svjetlosnog vala. Optimalna valna duljina za određeni slučaj upotrebe uvelike ovisi o primjeni. U obradi materijala, različiti materijali imaju jedinstvena svojstva apsorpcije ovisna o valnoj duljini koja rezultiraju različitim interakcijama s materijalom. Slično tome, u daljinskom očitavanju, atmosferska apsorpcija i smetnje mogu različito utjecati na određene valne duljine, au medicinskim laserskim primjenama različiti kompleksi mogu različito apsorbirati određene valne duljine. Laseri kraće valne duljine i laserska optika pomažu u stvaranju malih, preciznih značajki s minimalnim perifernim zagrijavanjem jer je žarišna točka manja. Međutim, obično su skuplji i lakše se oštećuju od lasera duže valne duljine.
2: Snaga i energija (tipične jedinice: W ili J)
Snaga lasera mjeri se u vatima (W) i koristi se za opisivanje izlazne optičke snage lasera s kontinuiranim valom (CW) ili prosječne snage pulsirajućeg lasera. Pulsirajuće lasere karakterizira i energija impulsa, koja je proporcionalna prosječnoj snazi i obrnuto proporcionalna brzini ponavljanja lasera (slika 2). Energija se mjeri u džulima (J).
Laseri veće snage i energije obično su skuplji i proizvode više otpadne topline. Održavanje kvalitete dugih svjetala također postaje teže s povećanjem snage i energije.
3: Trajanje pulsa (tipične jedinice: fs do ms)
Trajanje ili širina laserskog impulsa obično se definira kao puna širina na pola maksimuma (FWHM) snage laserskog svjetla u odnosu na vrijeme (Slika 3). Ultrabrzi laseri nude mnoge prednosti u nizu primjena uključujući preciznu obradu materijala i medicinske lasere, a karakterizirani su kratkim trajanjem impulsa od oko pikosekundi (10-12 sekundi) do atosekundi (10-18 sekundi).
4: Stopa ponavljanja (tipične jedinice: Hz do MHz)
Brzina ponavljanja ili frekvencija ponavljanja impulsa pulsirajućeg lasera opisuje broj emitiranih impulsa u sekundi ili obrnuti vremenski interval impulsa (Slika 3). Kao što je ranije spomenuto, brzina ponavljanja je obrnuto proporcionalna energiji pulsa i izravno proporcionalna prosječnoj snazi. Dok brzina ponavljanja obično ovisi o mediju laserskog pojačanja, u mnogim slučajevima može varirati. Veće stope ponavljanja rezultiraju kraćim vremenima toplinske relaksacije na optičkoj površini lasera i na konačnom fokusu, što dovodi do bržeg zagrijavanja materijala.
5: Duljina koherencije (tipične jedinice: milimetri do metri)
Laseri su koherentni, što znači da postoji fiksni odnos između faznih vrijednosti električnog polja u različitim vremenima ili na različitim mjestima. To je zato što se, za razliku od većine drugih vrsta izvora svjetlosti, laseri proizvode pobuđenom emisijom. Koherencija se smanjuje tijekom procesa prijenosa, a duljina koherencije lasera određuje udaljenost preko koje vremenska koherencija lasera ostaje na određenoj kvaliteti.
6: Polarizacija
Polarizacija određuje smjer električnog polja svjetlosnog vala, koji je uvijek okomit na smjer širenja. U većini slučajeva, laser će biti linearno polariziran, što znači da emitirano električno polje uvijek pokazuje u istom smjeru. Nepolarizirana svjetlost imat će električno polje koje pokazuje u mnogo različitih smjerova. Polarizacija se obično izražava kao omjer žarišnih duljina svjetlosti u dva ortogonalno polarizirana stanja, na primjer 100:1 ili 500:1.
Parametri snopa
Sljedeći parametri karakteriziraju oblik i kvalitetu laserske zrake.
7: Promjer grede (tipične jedinice: mm do cm)
Promjer laserske zrake karakterizira bočno proširenje zrake ili fizičku dimenziju okomitu na smjer širenja. Obično se definira kao širina 1/e2, tj. širina koju postiže intenzitet snopa pri 1/e2 (≈13,5%). U točki 1/e2 jakost električnog polja pada na 1/e (≈37%). Što je veći promjer snopa, to veća mora biti optika i cijeli sustav kako bi se izbjeglo skraćivanje snopa, što povećava cijenu. Međutim, smanjenje promjera snopa povećava gustoću snage/energije, što je također štetno.
8: Gustoća snage ili energije (tipične jedinice: W/cm2 do MW/cm2 ili µJ/cm2 do J/cm2)
Promjer zrake odnosi se na gustoću snage/energije laserske zrake ili optičku snagu/energiju po jedinici površine. Što je veći promjer snopa, manja je gustoća snage/energije snopa konstantne snage ili konstantne energije. Na konačnom izlazu sustava (npr. kod laserskog rezanja ili zavarivanja), obično je potrebna visoka gustoća snage/energije, ali unutar sustava, niska koncentracija snage/energije obično je korisna u sprječavanju oštećenja izazvanog laserom. Ovo također sprječava ionizaciju zraka u području velike snage/energije snopa. Iz tih razloga, između ostalog, ekspanderi laserske zrake često se koriste za povećanje promjera i time smanjenje gustoće snage/energije unutar laserskog sustava. Međutim, mora se paziti da se snop ne proširi toliko da ga zakloni otvor blende sustava, što može rezultirati izgubljenom energijom i mogućim oštećenjem.
9: Profil grede
Profil snopa lasera opisuje raspodijeljeni intenzitet u presjeku snopa. Uobičajeni profili greda uključuju Gaussove grede i grede s ravnim vrhom, koje slijede Gaussove funkcije i snope s ravnim vrhom (slika 4). Međutim, budući da unutar lasera uvijek postoji određeni broj vrućih točaka ili fluktuacija, niti jedan laser ne može proizvesti potpuno Gaussov snop ili snop s potpuno ravnim vrhom koji točno odgovara svojoj svojstvenoj funkciji. Razlika između stvarnog profila laserskog snopa i idealnog profila snopa obično se opisuje metrikom koja sadrži faktor M2 lasera.
10: Divergencija (tipična jedinica: mrad)
Iako se laserske zrake općenito smatraju kolimiranim, one uvijek sadrže određenu količinu divergencije, koja opisuje opseg do kojeg se zraka divergira na sve većim udaljenostima od struka laserske zrake zbog difrakcije. U aplikacijama s velikim radnim udaljenostima, kao što su LIDAR sustavi, gdje objekti mogu biti stotinama metara od laserskog sustava, divergencija postaje posebno važno pitanje. Divergencija snopa obično se definira u smislu polukuta lasera, a divergencija (θ) Gaussovog snopa definira se kao.
λ je valna duljina lasera, a w0 je struk laserske zrake.
Konačni parametri sustava
Ovi konačni parametri opisuju performanse laserskog sustava na izlazu.
11: Veličina točke (tipična jedinica: µm)
Veličina točke fokusirane laserske zrake opisuje promjer zrake u žarišnoj točki sustava leća za fokusiranje. U mnogim primjenama, poput obrade materijala i medicinske kirurgije, cilj je minimizirati veličinu točke. Time se maksimizira gustoća snage i omogućuje stvaranje iznimno finih značajki (Slika 5). Asferične leće često se koriste umjesto konvencionalnih sferičnih leća kako bi se smanjile sferne aberacije i proizvele manje žarišne točke. Neke vrste laserskih sustava u konačnici ne fokusiraju laser na točku, u kojem slučaju ovaj parametar nije primjenjiv.
12: Radna udaljenost (tipična jedinica: µm do m)
Radna udaljenost laserskog sustava općenito se definira kao fizička udaljenost od konačnog optičkog elementa (obično fokusirajuće leće) do objekta ili površine na koju je laser fokusiran. Neke primjene, kao što su medicinski laseri, često nastoje minimizirati radnu udaljenost, dok druge primjene, kao što je daljinsko očitavanje, često imaju za cilj maksimizirati raspon radne udaljenosti.
