Obstaja širok nabor laserskih sistemov za splošno uporabo za različne aplikacije, kot so obdelava materialov, laserska kirurgija in daljinsko zaznavanje, vendar ima veliko laserskih sistemov skupne ključne parametre. Vzpostavitev skupne terminologije za te parametre preprečuje nesporazume, njihovo razumevanje pa omogoča pravilno specifikacijo laserskih sistemov in komponent za izpolnjevanje aplikacijskih zahtev.
Osnovni parametri
Naslednji osnovni parametri so najbolj temeljni koncepti laserskega sistema in so bistveni za razumevanje naprednejših točk.
1: valovna dolžina (tipične enote: nm do µm)
Valovna dolžina laserja opisuje prostorsko frekvenco oddanega svetlobnega vala. Optimalna valovna dolžina za določen primer uporabe je močno odvisna od aplikacije. Pri obdelavi materialov imajo različni materiali edinstvene absorpcijske lastnosti, odvisne od valovne dolžine, kar povzroči različne interakcije z materialom. Podobno lahko pri daljinskem zaznavanju atmosferska absorpcija in motnje različno vplivajo na določene valovne dolžine, v medicinskih laserskih aplikacijah pa lahko različni kompleksi različno absorbirajo določene valovne dolžine. Laserji s krajšo valovno dolžino in laserska optika pomagajo ustvariti majhne, natančne značilnosti z minimalnim perifernim segrevanjem, ker je žariščna točka manjša. Vendar pa so običajno dražji in se lažje poškodujejo kot laserji z daljšo valovno dolžino.
2: moč in energija (tipične enote: W ali J)
Moč laserja se meri v vatih (W) in se uporablja za opis izhodne optične moči laserja z neprekinjenim valovanjem (CW) ali povprečne moči impulznega laserja. Za pulzne laserje je značilna tudi energija impulza, ki je sorazmerna s povprečno močjo in obratno sorazmerna s hitrostjo ponovitve laserja (slika 2). Energija se meri v joulih (J).
Laserji z večjo močjo in energijo so običajno dražji in proizvajajo več odpadne toplote. Ohranjanje kakovosti dolgih luči postane težje tudi z naraščajočo močjo in energijo.
3: Trajanje impulza (tipične enote: fs do ms)
Trajanje laserskega impulza ali širina impulza je običajno opredeljena kot polna polna širina (FWHM) moči laserske svetlobe glede na čas (slika 3). Ultrahitri laserji ponujajo številne prednosti v številnih aplikacijah, vključno s precizno obdelavo materialov in medicinskimi laserji, zanje pa je značilno kratko trajanje impulza od približno pikosekund (10-12 sekund) do atosekund (10-18 sekund).
4: Hitrost ponavljanja (tipične enote: Hz do MHz)
Hitrost ponavljanja ali frekvenca ponavljanja impulza pulzirajočega laserja opisuje število oddanih impulzov na sekundo ali obratni časovni interval impulza (slika 3). Kot smo že omenili, je hitrost ponavljanja obratno sorazmerna z energijo impulza in neposredno sorazmerna s povprečno močjo. Medtem ko je hitrost ponavljanja običajno odvisna od medija laserskega ojačanja, se lahko v mnogih primerih razlikuje. Višje stopnje ponavljanja povzročijo krajše čase toplotne relaksacije na optični površini laserja in na končnem fokusu, kar vodi do hitrejšega segrevanja materiala.
5: Koherenčna dolžina (tipične enote: milimetri do metri)
Laserji so koherentni, kar pomeni, da obstaja fiksno razmerje med faznimi vrednostmi električnega polja v različnih časih ali na različnih lokacijah. To je zato, ker za razliko od večine drugih vrst svetlobnih virov laserji nastajajo z vzbujeno emisijo. Koherenca se med postopkom prenosa zmanjšuje, koherenčna dolžina laserja pa določa razdaljo, na kateri časovna koherenca laserja ostane na določeni kakovosti.
6: Polarizacija
Polarizacija določa smer električnega polja svetlobnega vala, ki je vedno pravokotna na smer širjenja. V večini primerov bo laser linearno polariziran, kar pomeni, da oddano električno polje vedno kaže v isto smer. Nepolarizirana svetloba bo imela električno polje, ki kaže v veliko različnih smereh. Polarizacija je običajno izražena kot razmerje goriščnih razdalj svetlobe v dveh ortogonalno polariziranih stanjih, na primer 100:1 ali 500:1.
Parametri žarka
Naslednji parametri označujejo obliko in kakovost laserskega žarka.
7: Premer žarka (tipične enote: mm do cm)
Premer žarka laserja označuje stransko razširitev žarka ali fizično dimenzijo, pravokotno na smer širjenja. Običajno je opredeljena kot širina 1/e2, tj. širina, ki jo doseže jakost žarka pri 1/e2 (≈13,5 %). V točki 1/e2 električna poljska jakost pade na 1/e (≈37 %). Večji kot je premer žarka, večja mora biti optika in celoten sistem, da se izognemo okrnitvi žarka, ki poveča stroške. Vendar pa zmanjšanje premera žarka poveča gostoto moči/energije, kar je prav tako škodljivo.
8: Moč ali gostota energije (tipične enote: W/cm2 do MW/cm2 ali µJ/cm2 do J/cm2)
Premer žarka je povezan z gostoto moči/energije laserskega žarka ali optično močjo/energijo na enoto površine. Večji kot je premer žarka, nižja je gostota moči/energije žarka s konstantno močjo ali konstantno energijo. Pri končnem izhodu sistema (npr. pri laserskem rezanju ali varjenju) je običajno potrebna visoka gostota moči/energije, vendar je znotraj sistema nizka koncentracija moči/energije običajno koristna pri preprečevanju poškodb, ki jih povzroči laser. To tudi preprečuje ionizacijo zraka v območju visoke moči/energijske gostote žarka. Iz teh razlogov se med drugim pogosto uporabljajo ekspanderji laserskega žarka za povečanje premera in s tem zmanjšanje gostote moči/energije v laserskem sistemu. Vendar je treba paziti, da žarka ne razširite tako močno, da bi bil zakrit pred odprtino sistema, kar bi povzročilo izgubljeno energijo in morebitno škodo.
9: Profil žarka
Profil žarka laserja opisuje porazdeljeno jakost v prerezu žarka. Običajni profili žarkov vključujejo Gaussove žarke in žarke z ravnim vrhom, ki sledijo funkcijam Gaussovega in ravnih vrhov (slika 4). Ker pa je znotraj laserja vedno določeno število vročih točk ali nihanj, noben laser ne more proizvesti popolnoma Gaussovega žarka ali žarka s popolnoma ravnim vrhom, ki bi natančno ustrezal njegovi lastni funkciji. Razlika med dejanskim profilom žarka laserja in idealnim profilom žarka je običajno opisana z metriko, ki vsebuje faktor M2 laserja.
10: Divergenca (tipična enota: mrad)
Čeprav laserski žarki na splošno veljajo za kolimirane, vedno vsebujejo določeno količino divergence, ki opisuje obseg, do katerega se žarek zaradi uklona razhaja na naraščajočih razdaljah od pasu laserskega žarka. Pri aplikacijah z velikimi delovnimi razdaljami, kot so sistemi LIDAR, kjer so lahko predmeti na stotine metrov od laserskega sistema, postane divergenca še posebej pomembno vprašanje. Divergenca žarka je običajno opredeljena kot polovični kot laserja, divergenca (θ) Gaussovega žarka pa je definirana kot.
λ je valovna dolžina laserja in w0 je pas žarka laserja.
Končni sistemski parametri
Ti končni parametri opisujejo delovanje laserskega sistema na izhodu.
11: Velikost točke (tipična enota: µm)
Velikost točke fokusiranega laserskega žarka opisuje premer žarka v gorišču sistema leč za fokusiranje. V številnih aplikacijah, kot sta obdelava materialov in medicinska kirurgija, je cilj zmanjšati velikost pike. To maksimira gostoto moči in omogoča ustvarjanje izjemno finih funkcij (slika 5). Asferične leče se pogosto uporabljajo namesto običajnih sferičnih leč, da zmanjšajo sferično aberacijo in ustvarijo manjše velikosti goriščne točke. Nekatere vrste laserskih sistemov ne izostrijo laserja na točko, v tem primeru ta parameter ni uporaben.
12: Delovna razdalja (tipična enota: µm do m)
Delovna razdalja laserskega sistema je na splošno opredeljena kot fizična razdalja od končnega optičnega elementa (običajno leče za fokusiranje) do predmeta ali površine, na katero je laser fokusiran. Nekatere aplikacije, kot so medicinski laserji, si pogosto prizadevajo čim bolj zmanjšati delovno razdaljo, druge aplikacije, kot je daljinsko zaznavanje, pa si pogosto prizadevajo povečati obseg delovne razdalje.
