V různých aplikacích, jako je zpracování materiálů, laserová chirurgie, dálkový průzkum Země a zejménalaserové značeníexistuje celá řada běžných laserových systémů. Mnoho z těchto laserových systémů sdílí klíčové parametry. Zavedením univerzálních pojmů pro tyto parametry lze předejít zkreslení a pochopením těchto pojmů můžete správně specifikovat laserové systémy a komponenty tak, aby vyhovovaly potřebám vaší aplikace.
1: Schematické schéma běžného laserového systému zpracování materiálu, ve kterém je 10 klíčových parametrů laserového systému reprezentováno odpovídajícími čísly Obr.
Č.1 Vlnová délka: Vlnová délka laseru je základní parametr, který popisuje prostorovou frekvenci emitované světelné vlny. Lasery různých vlnových délek hrají roli v různých aplikacích. Při zpracování materiálu mají různé materiály různé absorpční charakteristiky pro různé vlnové délky, takže interakce s materiálem je také odlišná. Lasery s kratší vlnovou délkou a laserová optika mají výhody při vytváření malých a přesných prvků s menším obvodovým ohřevem. Tato zařízení jsou však obvykle dražší a křehčí ve srovnání s lasery s delšími vlnovými délkami.
Č.2 Výkon: Výkon laseru se obvykle měří ve wattech (W), používá se k popisu optického výkonu laserů s kontinuální vlnou (CW) nebo průměrného výkonu pulzních laserů. Charakteristikou pulzních laserů je, že jejich pulzní energie je přímo úměrná průměrnému výkonu a nepřímo úměrná opakovací frekvenci. Jednotkou energie jsou jouly (J). Energii pulzu lze tedy vypočítat vydělením průměrného výkonu opakovací frekvencí.
Obr. 2: Vizuální znázornění vztahu mezi energií pulzu, opakovací frekvencí a průměrným výkonem pulzních laserů s vyšším výkonem a energetickými lasery jsou obecně dražší a generují více odpadního tepla. S rostoucím výkonem a energií je stále obtížnější udržet vysokou kvalitu paprsku.
Č. 3 Doba trvání pulzu:Doba trvání pulsu nebo šířka pulsu laseru je obvykle definována jako doba, za kterou laser dosáhne poloviny (FWHM) svého maximálního optického výkonu. Ultrarychlé lasery se vyznačují krátkými pulsy v rozsahu od pikosekund (10-12 sekund) do attosekund (10-18 sekund).
Obr. 3: Pulzní interval pulzního laseru je převrácená hodnota opakovací frekvence
Č.4 Počet opakování:Opakovací frekvence pulzního laseru popisuje počet pulzů emitovaných za sekundu, což je převrácená hodnota časového intervalu mezi pulzy. Na rozdíl od toho, co bylo zmíněno dříve, je opakovací frekvence nepřímo úměrná energii pulzu a přímo úměrná průměrnému výkonu. Vyšší opakovací frekvence znamená, že doba tepelné relaxace povrchu laserového optického prvku a konečného zaostřeného bodu je kratší, takže rychlost ohřevu materiálu je rychlejší.
Č. 5 Koherenční délka:Lasery mají koherenci, což znamená, že existuje pevný vztah mezi fázovými hodnotami elektrického pole v různých časech nebo polohách. Tato vlastnost pramení ze skutečnosti, že lasery jsou vyráběny stimulovanou emisí, která se liší od většiny ostatních typů světelných zdrojů. Přestože koherence laseru bude během šíření postupně slábnout, koherenční délka laseru definuje vzdálenost, ve které jeho časová koherence zůstane na určité úrovni.
Č.6 Polarizace:Polarizace definuje směr elektrického pole světelné vlny, který je vždy kolmý ke směru šíření. Ve většině případů je laser lineárně polarizovaný, to znamená, že emitované elektrické pole směřuje vždy stejným směrem. Naproti tomu nepolarizované světlo bude produkovat elektrická pole směřující do mnoha různých směrů. Polarizace se obvykle vyjadřuje jako poměr světelného výkonu mezi dvěma ortogonálními polarizačními stavy, jako je 100:1 nebo 500:1.
Č.7 Průměr paprsku: Průměr paprsku laseru popisuje laterální prodloužení paprsku, to znamená fyzickou velikost kolmou ke směru šíření. Obvykle je průměr paprsku definován na šířce 1/e², to je bod, kde intenzita paprsku dosahuje 1/e² (asi 13,5 %) maximální hodnoty. V tomto okamžiku intenzita elektrického pole klesne na 1/e (asi 37 %) maximální hodnoty. Čím větší je průměr paprsku, tím větší je potřeba optických komponentů a celého systému, aby se zabránilo ořezávání paprsku, což má za následek zvýšené náklady. Zmenšením průměru paprsku se však zvýší hustota výkonu/energie, což také přinese nepříznivé účinky.
Č. 8 Výkon nebo hustota energie: Výkon nebo hustota energie se týká výkonu nebo energie paprsku na jednotku plochy. Průměr paprsku úzce souvisí s hustotou výkonu/energie. Když výkon nebo energie paprsku zůstává konstantní, čím větší je průměr paprsku, tím menší je hustota výkonu/energie. Obecně platí, že lasery s vysokou hustotou výkonu/energie jsou ideálním konečným výstupem systému, například při řezání laserem nebo laserovém svařování. Lasery s nízkou hustotou výkonu/energie jsou však pro systém interně prospěšné, mohou snížit poškození způsobené lasery a zabránit oblasti paprsku s vysokým výkonem/vysokou hustotou energie v ionizaci vzduchu.
Č.9 Profil paprsku: Profil paprsku popisuje intenzitu rozložení paprsku na průřezu. Běžné profily nosníků zahrnují Gaussovy nosníky a nosníky s plochým vrcholem a jejich profily nosníků sledují gaussovské a ploché funkce. Protože však uvnitř laseru vždy existuje určitý počet horkých bodů nebo oscilací, žádný laser nemůže vytvořit dokonalý Gaussův paprsek nebo dokonalý paprsek s plochým vrcholem, který by dokonale odpovídal ideálnímu profilu paprsku. Rozdíl mezi skutečným profilem paprsku laseru a ideálním profilem paprsku je obvykle popsán pomocí více indikátorů měření (včetně faktoru M² laseru).
Č.10 Divergence:Ačkoli si lidé obvykle myslí, že laserový paprsek je kolimované světlo, ve skutečnosti bude mít laserový paprsek vždy určitý stupeň divergence. Divergence popisuje stupeň difúze paprsku vzhledem k pasu paprsku po šíření na velkou vzdálenost v důsledku difrakce. V aplikacích s velkými pracovními vzdálenostmi, jako jsou laserové radarové systémy, kde mohou být cíl a laserový systém od sebe vzdáleny stovky metrů, se divergence stává obzvláště důležitým problémem. Divergence paprsku je obvykle definována polovičním úhlem laseru a úhel divergence (θ) Gaussova paprsku je definován jako λ je vlnová délka laseru a w0 je pás laserového paprsku.
Č.11 Velikost bodu: Velikost bodu popisuje průměr bodu zaostřeného laserového paprsku, který se nachází v ohnisku systému zaostřovacích čoček. V mnoha aplikacích, jako je zpracování materiálů a lékařská chirurgie, je naším cílem minimalizovat velikost místa. To může maximalizovat hustotu výkonu a vytvořit obzvláště jemné prvky. Asférické čočky se často používají jako náhrada tradičních sférických čoček, aby se snížily sférické aberace a velikost bodu. U některých typů laserových systémů laser nakonec nezaměří laser do bodu, takže v tomto případě tento parametr neplatí.
Obr. 5: Experimenty laserového mikroobrábění na Italském technologickém institutu ukazují, že účinnost ablace nanosekundového laserového vrtacího systému se desetinásobně zvýší, když se velikost skvrny zmenší z 220 mikronů na 9 mikronů při konstantním toku.
