Existuje široká škála běžných laserových systémů pro různé aplikace, včetně zpracování materiálů, laserové chirurgie a dálkového průzkumu Země, ale mnoho laserových systémů sdílí společné klíčové parametry. Stanovení společné terminologie pro tyto parametry zabraňuje nedorozumění a jejich pochopení umožňuje správnou specifikaci laserových systémů a komponentů, aby splňovaly požadavky aplikací.
Obrázek 1: Schéma 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 laserového systému a jsou nezbytné pro pochopení pokročilejších bodů.
1: Vlnová délka (typické jednotky: nm až µm)
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 usnadňují vytváření malých, přesných prvků s minimálním obvodovým ohřevem, protože ohnisko je menší. Jsou však obvykle dražší a snáze se poškodí 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 charakterizaci optického výkonu laseru s kontinuální vlnou (CW) nebo průměrného výkonu pulzního laseru. Pulzní lasery se také vyznačují 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 obvykle dražší a produkují více odpadního tepla. Udržování vysoké kvality paprsku je také obtížnější s rostoucím výkonem a energií.
3: Doba trvání pulzu (typické jednotky: fs až ms)
Doba trvání laserového pulzu nebo šířka pulzu je obvykle definována jako plná šířka při polovičním maximu (FWHM) výkonu laserového světla v závislosti na čase (obrázek 3). Ultrarychlé lasery nabízejí mnoho výhod v řadě aplikací, včetně přesného zpracování materiálů a lékařských laserů, a vyznačují se krátkou dobou trvání pulsu přibližně pikosekundy (10-12 sekund) až attosekundy (10-18 sekund).
Obrázek 3: Pulzní laserové pulsy oddělené v čase převrácenou hodnotou opakovací frekvence
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 obvykle závisí 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 v místě konečného zaostření, což vede k rychlejšímu zahřívání materiálu.
5: Koherenční délka (typické jednotky: milimetry až metry)
Lasery jsou koherentní, což znamená, že existuje pevný vztah mezi fázovými hodnotami elektrického pole v různých časech nebo místech. Je to proto, že na rozdíl od většiny ostatních typů světelných zdrojů jsou lasery produkovány excitovanou emisí. Koherence se snižuje v průběhu procesu šíření a koherenční délka laseru definuje vzdálenost, na které je dočasná koherence laseru udržována v určité kvalitě.
6: Polarizace
Polarizace definuje směr elektrického pole světelné vlny, který je vždy kolmý ke směru šíření. Ve většině případů bude laser lineárně polarizovaný, což znamená, že emitované elektrické pole vždy míří stejným směrem. Nepolarizované světlo bude mít elektrické pole, které bude směřovat do mnoha různých směrů. Stupeň polarizace se obvykle vyjadřuje jako poměr ohniskových vzdáleností světla ve dvou ortogonálně polarizovaných stavech, např. 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 boční prodloužení paprsku nebo jeho fyzikální rozměr kolmý ke směru šíření. Obvykle je definována jako šířka 1/e2, které je dosaženo intenzitou paprsku při 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 MW/cm2 nebo µJ/cm2 až J/cm2)
Průměr paprsku se vztahuje k hustotě výkonu/energie laserového paprsku nebo optickému výkonu/energii na jednotku plochy. Čím větší je průměr paprsku, tím nižší je hustota výkonu/energie paprsku s konstantním výkonem nebo energií. Na konečném výstupu systému (např. při řezání nebo svařování laserem) je často žádoucí vysoká hustota výkonu/energie, ale uvnitř systému je nízká koncentrace výkonu/energie často prospěšná, aby se zabránilo poškození způsobenému laserem. To také zabraňuje ionizaci vzduchu v oblasti paprsku s vysokou hustotou výkonu/energie. 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 nerozšířil natolik, že by paprsek byl zakrytý otvory v systému, což má za následek plýtvání energií a potenciální poškození.
9: Profil paprsku
Profil paprsku laseru popisuje rozloženou intenzitu v průřezu paprsku. Mezi běžné profily paprsků patří gaussovské a ploché paprsky, jejichž profily paprsků sledují Gaussovu a plochou horní funkci (obrázek 4). Žádný laser však nedokáže vytvořit zcela gaussovský nebo zcela plochý horní paprsek s profilem paprsku, který přesně odpovídá jeho vlastní funkci, protože uvnitř laseru vždy existuje určitý počet horkých míst nebo fluktuací. Rozdíl mezi skutečným profilem paprsku laseru a ideálním profilem paprsku je obvykle popsán metrikou, která zahrnuje faktor M2 laseru.
Obrázek 4: Porovnání profilu paprsku Gaussova paprsku se stejným průměrným výkonem nebo intenzitou a plochého paprsku ukazuje, že špičková intenzita gaussovského paprsku je dvakrát větší než u plochého paprsku.
10: Divergence (typické jednotky: mrad)
Ačkoli jsou laserové paprsky obvykle 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 s velkými provozními vzdálenostmi, jako jsou systémy LIDAR, kde objekty mohou být stovky metrů od laserového systému, se divergence stává obzvláště důležitým problémem. Divergence paprsku je obvykle definována polovičním úhlem laseru a divergence (θ) Gaussova paprsku je definována jako:
Obrázek.
λ 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 (typická jednotka: µm)
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 výjimečně jemných funkcí. Asférické čočky se často používají místo tradičních sférických čoček, aby se minimalizovala sférická aberace a vytvořily se menší velikosti ohniskových bodů. Některé typy laserových systémů nakonec nezaměří laser na bod, v takovém případě tento parametr neplatí.
12: Pracovní vzdálenost (typické jednotky: µm až m)
Pracovní vzdálenost laserového systému je obvykle definována jako fyzická vzdálenost od konečného optického prvku (obvykle zaostřovací čočky) k předmětu nebo povrchu, na který je laser zaostřen. Některé aplikace, jako jsou lékařské lasery, se obvykle snaží minimalizovat pracovní vzdálenost, zatímco jiné aplikace, jako je dálkové snímání, se obvykle snaží maximalizovat rozsah jejich pracovní vzdálenosti.
