Existuje široká škála běžných laserových systémů používaných v různých aplikacích, jako je zpracování materiálů, laserová chirurgie a dálkové snímání, ale mnoho laserových systémů má společné klíčové parametry. Zavedení společné terminologie pro tyto parametry zabraňuje chybám v komunikaci a jejich porozumění umožňuje správné specifikaci laserového systému a komponent tak, aby splňovaly požadavky aplikace.
Obrázek 1: Schematický diagram běžného laserového systému zpracování materiálu, kde každý z 10 klíčových parametrů laserového systému je reprezentován odpovídajícím číslem
Základní parametry
Následující základní parametry jsou nejzákladnějšími koncepty laserových systémů a jsou také důležité pro pochopení pokročilejších bodů
1: Vlnová délka (typické jednotky: nm až um)
Vlnová délka laseru popisuje prostorovou frekvenci emitované světelné vlny. Optimální vlnová délka pro daný případ použití je vysoce závislá na aplikaci. Různé materiály budou mít jedinečné absorpční vlastnosti závislé na vlnové délce při zpracování materiálu, což má za následek různé interakce s materiálem. Podobně atmosférická absorpce a interference ovlivní určité vlnové délky odlišně při dálkovém průzkumu a různé komplexy budou absorbovat určité vlnové délky odlišně v lékařských laserových aplikacích. Lasery s kratší vlnovou délkou a laserová optika jsou výhodné pro vytváření malých a přesných prvků s minimálním obvodovým ohřevem, protože ohnisko je menší. Obecně jsou však dražší a náchylnější k poškození než lasery s delší vlnovou délkou.
2: Výkon a energie (typické jednotky: W nebo J)
Výkon laseru se měří ve wattech (W) a používá se k popisu optického výkonu laseru s kontinuální vlnou (CW) nebo průměrného výkonu pulzního laseru. Pulzní lasery jsou také charakterizovány svou pulzní energií, která je úměrná průměrnému výkonu a nepřímo úměrná opakovací frekvenci laseru (obrázek 2). Energie se měří v joulech (J).
Obrázek 2: Vizuální znázornění vztahu mezi energií pulzu, opakovací frekvencí a průměrným výkonem pulzního laseru
Lasery s vyšším výkonem a energií jsou obecně dražší a generují více odpadního tepla. S rostoucím výkonem a energií je také stále obtížnější udržovat vysokou kvalitu paprsku.
3: Doba trvání pulzu (typické jednotky: fs až ms)
Doba trvání laserového pulsu nebo šířka pulsu je obvykle definována jako plná šířka v polovině maxima (FWHM) optického výkonu laseru v závislosti na čase (obrázek 3). Ultrarychlé lasery nabízejí mnoho výhod v řadě aplikací, včetně přesného zpracování materiálů a lékařských laserů. Vyznačují se krátkým trváním pulzu v řádu pikosekund (10-12 sekund) až attosekund (10-18 a méně
P(W)
1/Poměr opakování
Časy nákupu veřejného účtu
Obrázek 3: Pulsy pulzního laseru jsou časově odděleny inverzní frekvencí opakování
4: Opakovací frekvence (typické jednotky: Hz až MHz)
Opakovací frekvence nebo frekvence opakování pulzů pulzního laseru popisuje počet pulzů emitovaných za sekundu nebo inverzní časový interval pulzů (obrázek 3). Jak již bylo zmíněno dříve, opakovací frekvence je nepřímo úměrná energii pulzu a přímo úměrná průměrnému výkonu. Zatímco opakovací frekvence je obecně závislá na médiu zesílení laseru, může se v mnoha případech lišit. Vyšší opakovací frekvence má za následek kratší doby tepelné relaxace na povrchu laserové optiky a na konečném ohnisku, což má za následek rychlejší ohřev materiálu.
5: Koherenční délka (typické jednotky: milimetry až metry)
Laser je koherentní, což znamená, že elektrické proudy v různých časech nebo místech jsou koherentní. Mezi hodnotami fáze pole existuje pevný vztah. Lasery jsou totiž na rozdíl od většiny ostatních typů světelných zdrojů produkovány stimulovanou emisí. Koherenční délka definuje vzdálenost, na které dočasná koherence laserového světla zůstává konstantní po celou dobu šíření laserového světla, bez degradace během procesu.
6: Polarizace
Polarizace definuje směr elektrického pole světelné vlny, "je vždy kolmá na směr šíření. Ve většině případů bude laserové světlo polarizováno lineárně, to znamená, že emitované elektrické pole směřuje vždy stejným směrem. Nepolarizované světlo bude mít elektrické pole mířící do mnoha různých směrů. Stupeň polarizace se obvykle vyjadřuje jako poměr optické mohutnosti dvou ortogonálních polarizačních stavů, jako je 100:1 nebo 500:1.
Parametry paprsku
Následující parametry charakterizují tvar a kvalitu laserového paprsku.
7: Průměr paprsku (typické jednotky: mm až cm)
Průměr paprsku laseru charakterizuje laterální prodloužení paprsku nebo jeho fyzickou velikost kolmo ke směru šíření. Obvykle je definována jako šířka 1/e2, což je šířka intenzity paprsku do 1/e2 (=13,5 %). V bodě 1/e2 intenzita elektrického pole klesne na 1/e (=37%). Čím větší je průměr paprsku, tím větší musí být optika a celý systém, aby nedošlo ke zkrácení paprsku, což zvyšuje náklady. Zmenšení průměru paprsku však zvyšuje hustotu výkonu/energie, což může být také škodlivé.
8: Výkon nebo hustota energie (typické jednotky: W/cm2 až MWicm2 nebo uJ/cm2 až J/cm2)
Průměr paprsku souvisí s hustotou výkonu/energie laserového paprsku. Hustota energie neboli množství optického výkonu/energie na jednotku plochy. Čím větší je průměr paprsku, tím nižší je hustota výkonu/energie paprsku pro konstantní výkon nebo energii. Vysoká hustota výkonu/energie je často žádoucí na konečném výstupu systému (například při řezání nebo svařování laserem), ale nízká koncentrace výkonu/energie je často prospěšná uvnitř systému, aby se zabránilo poškození způsobenému laserem. To také zabraňuje oblastem s vysokou hustotou výkonu/energie paprsku v ionizaci vzduchu. Z těchto důvodů se mimo jiné často používají expandéry laserového paprsku ke zvětšení průměru a tím ke snížení hustoty výkonu/energie uvnitř laserového systému. Je však třeba dbát na to, aby se paprsek příliš nerozšířil, takže by nebyl blokován otvory v systému, což by mělo za následek plýtvání energií a potenciální poškození.
9: Profil paprsku
Profil paprsku laseru popisuje rozloženou intenzitu po průřezu paprsku. Mezi běžné profily paprsků patří Gaussovy paprsky a ploché paprsky, jejichž profily paprsků sledují Gaussovu funkci a funkci plochého vrcholu (obrázek 4). Žádný laser však nemůže produkovat zcela gaussovský nebo zcela plochý paprsek s profilem paprsku, který přesně odpovídá jeho charakteristické funkci, protože uvnitř laseru je vždy určité množství horkých míst nebo kolísání. Rozdíl mezi skutečným profilem paprsku laseru a ideálním profilem paprsku je často popsán metrikami včetně faktoru M2 laseru.
Gaussovské a ploché profily Top Beam
Obrázek 4: Porovnání profilů paprsku Gaussova paprsku a plochého horního paprsku o stejné průměrné síle nebo intenzitě ukazuje, že špičková intenzita Gaussova paprsku je dvakrát větší než u plochého horního paprsku
10: Divergence (typické jednotky: mrad)
Zatímco laserové paprsky jsou často považovány za kolimované, vždy obsahují určitou divergenci, která popisuje míru, do které se paprsek rozchází ve vzrůstající vzdálenosti od pasu laserového paprsku v důsledku difrakce. V aplikacích na dlouhé pracovní vzdálenosti, jako jsou systémy LiDAR, kde objekty mohou být stovky metrů od laserového systému, se divergence stává obzvláště důležitým problémem. Divergence paprsku je často definována polovičním úhlem laseru a divergence Gaussova paprsku (0) je definována jako:
W je vlnová délka laseru a w0 je pás laserového paprsku
Konečné parametry systému
Tyto konečné parametry popisují výkon laserového systému na výstupu
11: Velikost bodu (typické jednotky: um)
Velikost bodu zaostřeného laserového paprsku popisuje průměr paprsku v ohnisku systému zaostřovacích čoček. V mnoha aplikacích, jako je zpracování materiálů a lékařská chirurgie, je cílem minimalizovat velikost místa. To maximalizuje hustotu výkonu a umožňuje vytváření zvláště jemných prvků (obrázek 5). Asférické čočky se často používají místo tradičních sférických čoček, aby se snížily sférické aberace a vytvořily se menší velikosti ohniskových bodů. Některé typy laserových systémů nakonec nezaměří laser na bod, v takovém případě tento parametr neplatí.
Obrázek 5: Experimenty laserového mikroobrábění na Italském technologickém institutu ukazují 10-násobné zvýšení účinnosti ablace v nanosekundovém laserovém vrtacím systému, když se velikost bodu zmenší z 220 um na 9 um při konstantním průtoku
12: Pracovní vzdálenost (typické jednotky: um až m)
Pracovní vzdálenost laserového systému je typicky definována jako fyzická vzdálenost od konečného optického prvku (obvykle zaostřovací čočky) k objektu nebo povrchu, na který je laser zaostřen. Některé aplikace, jako jsou lékařské lasery, se obvykle snaží minimalizovat pracovní vzdálenost, zatímco jiné, jako je dálkové snímání, se obvykle snaží maximalizovat rozsah jejich pracovní vzdálenosti.
