Există o gamă largă de sisteme laser comune utilizate într-o varietate de aplicații, cum ar fi prelucrarea materialelor, chirurgia cu laser și teledetecția, dar multe sisteme laser au parametri cheie comuni. Stabilirea unei terminologii comune pentru acești parametri previne erorile de comunicare, iar înțelegerea acestora permite specificarea corectă a sistemului laser și a componentelor pentru a îndeplini cerințele aplicației.
Figura 1: Diagrama schematică a unui sistem obișnuit de procesare a materialelor cu laser, în care fiecare dintre cei 10 parametri cheie ai sistemului laser este reprezentat de un număr corespunzător
Parametrii de bază
Următorii parametri de bază sunt cele mai de bază concepte ale sistemelor laser și sunt, de asemenea, esențiali pentru înțelegerea punctelor mai avansate
1: lungime de undă (unități tipice: nm la um)
Lungimea de undă a unui laser descrie frecvența spațială a undei luminoase emise. Lungimea de undă optimă pentru un anumit caz de utilizare depinde foarte mult de aplicație. Materialele diferite vor avea proprietăți unice de absorbție dependente de lungimea de undă în procesarea materialului, rezultând interacțiuni diferite cu materialul. În mod similar, absorbția și interferența atmosferică vor afecta în mod diferit anumite lungimi de undă în teledetecție, iar diverse complexe vor absorbi anumite lungimi de undă în mod diferit în aplicațiile cu laser medical. Laserele cu lungime de undă mai scurtă și optica laser sunt benefice pentru a crea caracteristici mici și precise cu încălzire periferică minimă, deoarece punctul focal este mai mic. Cu toate acestea, acestea sunt în general mai scumpe și mai susceptibile la deteriorare decât laserele cu lungime de undă mai mare.
2: Putere și energie (Unități tipice: W sau J)
Puterea unui laser este măsurată în wați (W) și este utilizată pentru a descrie puterea optică de ieșire a unui laser cu undă continuă (CW) sau puterea medie a unui laser în impulsuri. Laserele pulsate se caracterizează și prin energia pulsului lor, care este proporțională cu puterea medie și invers proporțională cu rata de repetiție a laserului (Figura 2). Energia se măsoară în Jouli (J).
Figura 2: Reprezentarea vizuală a relației dintre energia pulsului, rata de repetiție și puterea medie a unui laser pulsat
Laserele cu putere și energie mai mari sunt în general mai scumpe și generează mai multă căldură reziduală. Menținerea calității înalte a fasciculului devine, de asemenea, din ce în ce mai dificilă pe măsură ce puterea și energia cresc.
3: Durata impulsului (Unități tipice: fs la ms)
Durata impulsului laser sau lățimea impulsului este de obicei definită ca lățimea completă la jumătatea maximă (FWHM) a puterii optice laser în funcție de timp (Figura 3). Laserele ultrarapide oferă multe avantaje într-o gamă largă de aplicații, inclusiv prelucrarea de precizie a materialelor și laserele medicale. Acestea sunt caracterizate prin durate scurte ale impulsurilor de ordinul picosecundelor (10-12 secunde) până la attosecunde (10-18 și mai puțin).
P(W)
1/Rata de repetare
Achiziționare timp(e) cont public
Figura 3: Pulsurile unui laser pulsat sunt separate în timp de inversul ratei de repetiție
4: Rata de repetiție (unități tipice: Hz la MHz)
Rata de repetiție sau frecvența de repetare a pulsului unui laser cu impulsuri descrie numărul de impulsuri emise pe secundă sau intervalul de timp invers al impulsurilor (Figura 3). După cum am menționat mai devreme, rata de repetiție este invers proporțională cu energia pulsului și direct proporțională cu puterea medie. În timp ce rata de repetiție depinde în general de mediul de câștig laser, poate varia în multe cazuri. Ratele mai mari de repetiție au ca rezultat timpi mai scurti de relaxare termică la suprafața opticii laser și la focalizarea finală, ceea ce are ca rezultat încălzirea mai rapidă a materialului.
5: Lungimea coerenței (unități tipice: milimetri în metri)
Laserul este coerent, ceea ce înseamnă că curenții electrici în momente sau locații diferite sunt coerenți. Există o relație fixă între valorile fazei de câmp. Acest lucru se datorează faptului că laserele, spre deosebire de majoritatea celorlalte tipuri de surse de lumină, sunt produse prin emisie stimulată. Lungimea de coerență definește o distanță pe care coerența temporală a luminii laser rămâne constantă pe toată durata propagării luminii laser, fără degradare în timpul procesului.
6: Polarizare
Polarizarea definește direcția câmpului electric al undei luminoase, „este întotdeauna perpendiculară pe direcția de propagare. În cele mai multe cazuri, lumina laser va fi polarizată liniar, ceea ce înseamnă că câmpul electric emis este întotdeauna în aceeași direcție. Lumină nepolarizată. va avea un câmp electric îndreptat în multe direcții diferite Gradul de polarizare este de obicei exprimat ca raportul puterii optice a două stări de polarizare ortogonală, cum ar fi 100:1 sau 500:1.
Parametrii fasciculului
Următorii parametri caracterizează forma și calitatea fasciculului laser.
7: Diametrul fasciculului (unități tipice: mm în cm)
Diametrul fasciculului unui laser caracterizează extensia laterală a fasciculului sau dimensiunea sa fizică perpendiculară pe direcția de propagare. De obicei, este definită ca lățimea 1/e2, care este lățimea intensității fasciculului până la 1/e2 (=13,5%). La punctul 1/e2, intensitatea câmpului electric scade la 1/e (=37%). Cu cât diametrul fasciculului este mai mare, cu atât optica și întregul sistem trebuie să fie mai mari pentru a evita trunchierea fasciculului, ceea ce crește costul. Cu toate acestea, o reducere a diametrului fasciculului crește densitatea de putere/energie, ceea ce poate fi și dăunător.
8: densitate de putere sau energie (unități tipice: W/cm2 la MWicm2 sau uJ/cm2 la J/cm2)
Diametrul fasciculului este legat de puterea/densitatea de energie a fasciculului laser. Densitatea energiei sau cantitatea de putere optică/energie pe unitate de suprafață. Cu cât diametrul fasciculului este mai mare, cu atât densitatea de putere/energie a fasciculului este mai mică pentru o putere sau energie constantă. Densitatea mare de putere/energie este adesea de dorit la ieșirea finală a sistemului (de exemplu în tăierea cu laser sau sudarea), dar concentrațiile scăzute de putere/energie sunt adesea benefice în interiorul sistemului pentru a preveni deteriorarea indusă de laser. Acest lucru previne, de asemenea, zonele cu putere mare/densitate energetică ale fasciculului să ionizeze aerul. Din aceste motive, printre altele, expansoarele de fascicul laser sunt adesea folosite pentru a crește diametrul și, astfel, a reduce densitatea de putere/energie în interiorul sistemului laser. Cu toate acestea, trebuie avut grijă să nu extindeți fasciculul prea mult, astfel încât acesta să fie blocat de deschiderile din sistem, rezultând energie irosită și potențiale daune.
9: Profilul fasciculului
Profilul fasciculului unui laser descrie intensitatea distribuită pe secțiunea transversală a fasciculului. Profilurile de fascicul obișnuite includ grinzile Gaussiene și grinzile cu vârf plat, ale căror profile de fascicul urmează funcția Gaussiană și, respectiv, funcția de vârf plat (Figura 4). Cu toate acestea, niciun laser nu poate produce un fascicul complet gaussian sau complet plat cu un profil al fasciculului care se potrivește exact cu funcția sa caracteristică, deoarece există întotdeauna o anumită cantitate de puncte fierbinți sau fluctuații în interiorul laserului. Diferența dintre profilul actual al fasciculului laser și profilul ideal al fasciculului este adesea descrisă de metrici, inclusiv factorul M2 al laserului
Profiluri Gaussiane și plate ale fasciculului superior
Figura 4: Comparația profilurilor fasciculului unui fascicul Gaussian și al unui fascicul superior plat de putere sau intensitate medie egală arată că intensitatea maximă a fasciculului Gaussian este de două ori mai mare decât a fasciculului superior plat
10: Divergență (unități tipice: mrad)
În timp ce fasciculele laser sunt adesea considerate colimate, ele conțin întotdeauna o anumită divergență, care descrie gradul în care fasciculul diverge la distanțe crescânde față de talia fasciculului laser din cauza difracției. În aplicațiile pe distanțe lungi de lucru, cum ar fi sistemele LiDAR, unde obiectele pot fi la sute de metri distanță de sistemul laser, divergența devine o problemă deosebit de importantă. Divergența fasciculului este adesea definită de jumătatea unghiului laserului, iar divergența unui fascicul gaussian (0) este definită ca:
W este lungimea de undă a laserului și w0 este talia fasciculului laser
Parametrii finali ai sistemului
Acești parametri finali descriu performanța sistemului laser la ieșire
11: Dimensiunea spotului (unități tipice: um)
Dimensiunea spotului unui fascicul laser focalizat descrie diametrul fasciculului la focalizarea sistemului de lentile de focalizare. În multe aplicații, cum ar fi prelucrarea materialelor și chirurgia medicală, scopul este de a minimiza dimensiunea spotului. Acest lucru maximizează densitatea de putere și permite crearea de caracteristici deosebit de fine (Figura 5). Lentilele asferice sunt adesea folosite în locul lentilelor sferice tradiționale pentru a reduce aberațiile sferice și pentru a produce dimensiuni mai mici ale punctelor focale. Unele tipuri de sisteme laser nu concentrează în cele din urmă laserul către un punct, caz în care acest parametru nu se aplică.
Figura 5: Experimentele de microprelucrare cu laser de la Institutul Italian de Tehnologie arată o creștere de 10-ori a eficienței ablației într-un sistem de foraj cu laser în nanosecunde atunci când dimensiunea spotului este redusă de la 220um la 9um la un debit constant
12: Distanța de lucru (unități tipice: um la m)
Distanța de lucru a unui sistem laser este de obicei definită ca distanța fizică de la elementul optic final (de obicei o lentilă de focalizare) la obiectul sau suprafața pe care este focalizat laserul. Anumite aplicații, cum ar fi laserele medicale, urmăresc de obicei să minimizeze distanța de lucru, în timp ce altele, cum ar fi teledetecția, urmăresc de obicei să maximizeze intervalul de distanță de lucru.
