В различни приложения като обработка на материали, лазерна хирургия, дистанционно наблюдение и по-специалнолазерно маркиране, съществуват различни често срещани лазерни системи. Много от тези лазерни системи споделят ключови параметри. Установяването на универсални термини за тези параметри може да предотврати погрешно представяне и като разберете тези термини, можете правилно да посочите лазерни системи и компоненти, за да отговарят на нуждите на вашето приложение.
Фигура 1: Схематична диаграма на обща лазерна система за обработка на материали, в която 10 ключови параметъра на лазерната система са представени със съответните числа
NO.1 Дължина на вълната: Дължината на вълната на лазера е основен параметър, който описва пространствената честота на излъчваната светлинна вълна. Лазери с различна дължина на вълната играят роля в различни приложения. При обработката на материали различните материали имат различни характеристики на абсорбция за различни дължини на вълните, така че взаимодействието с материала също е различно. Лазерите с по-къса дължина на вълната и лазерната оптика имат предимства при създаването на малки и прецизни характеристики с по-малко периферно нагряване. Тези устройства обаче обикновено са по-скъпи и по-крехки в сравнение с лазерите с по-дълги дължини на вълните.
NO.2 Мощност: Мощността на лазера обикновено се измерва във ватове (W), използвани за описание на изходната оптична мощност на лазерите с непрекъсната вълна (CW) или средната мощност на импулсните лазери. Характеристиката на импулсните лазери е, че импулсната им енергия е право пропорционална на средната мощност и обратно пропорционална на честотата на повторение. Единицата за енергия е джаул (J). Следователно импулсната енергия може да се изчисли чрез разделяне на средната мощност на честотата на повторение.
Фигура 2: визуално представяне на връзката между енергията на импулса, честотата на повторение и средната мощност на импулсните лазери Лазерите с по-висока мощност и енергия обикновено са по-скъпи и генерират повече отпадна топлина. С нарастването на мощността и енергията става все по-трудно да се поддържа високо качество на лъча.
NO.3 Продължителност на импулса:Продължителността на импулса или ширината на импулса на лазер обикновено се определя като времето, необходимо на лазера да достигне половината (FWHM) от максималната си оптична мощност. Свръхбързите лазери се характеризират с кратка продължителност на импулса, варираща от пикосекунди (10-12 секунди) до атосекунди (10-18 секунди).
Фигура 3: Импулсният интервал на импулсен лазер е реципрочната стойност на честотата на повторение
NO.4 Скорост на повторение:Скоростта на повторение на импулсен лазер описва броя импулси, излъчвани за секунда, което е реципрочната стойност на интервала от време между импулсите. Противно на споменатото по-рано, честотата на повторение е обратно пропорционална на импулсната енергия и право пропорционална на средната мощност. По-високата честота на повторение означава, че времето за термична релаксация на повърхността на лазерния оптичен елемент и крайното фокусирано петно е по-кратко, така че скоростта на нагряване на материала е по-бърза.
NO.5 Кохерентна дължина:Лазерите имат кохерентност, което означава, че има фиксирана връзка между фазовите стойности на електрическото поле в различни моменти или позиции. Тази характеристика произтича от факта, че лазерите се произвеждат чрез стимулирано излъчване, което е различно от повечето други видове източници на светлина. Въпреки че кохерентността на лазера постепенно ще отслабва по време на разпространението, кохерентната дължина на лазера определя разстоянието, на което неговата времева кохерентност остава на определено ниво.
NO.6 Поляризация:Поляризацията определя посоката на електрическото поле на светлинната вълна, която винаги е перпендикулярна на посоката на разпространение. В повечето случаи лазерът е линейно поляризиран, т.е. излъчваното електрическо поле винаги сочи в една и съща посока. Обратно, неполяризираната светлина ще произведе електрически полета, насочени в много различни посоки. Поляризацията обикновено се изразява като съотношението на светлинната мощност между две ортогонални състояния на поляризация, като 100:1 или 500:1.
NO.7 Диаметър на лъча: Диаметърът на лъча на лазера описва страничното разширение на лъча, тоест физическият размер, перпендикулярен на посоката на разпространение. Обикновено диаметърът на лъча се определя при ширина 1/e², т.е. точката, в която интензитетът на лъча достига 1/e² (около 13,5%) от максималната стойност. В този момент напрегнатостта на електрическото поле пада до 1/e (около 37%) от максималната стойност. Колкото по-голям е диаметърът на лъча, толкова по-големи са оптичните компоненти и цялата система, необходими за избягване на изрязване на лъча, което води до увеличени разходи. Намаляването на диаметъра на лъча обаче ще увеличи плътността на мощността/енергията, което също ще доведе до неблагоприятни ефекти.
NO.8 Мощност или енергийна плътност: Мощността или енергийната плътност се отнася до мощността или енергията на лъча на единица площ. Диаметърът на лъча е тясно свързан с плътността на мощността/енергията. Когато мощността или енергията на лъча остава постоянна, колкото по-голям е диаметърът на лъча, толкова по-малка е плътността мощност/енергия. Като цяло лазерите с висока мощност/енергийна плътност са идеалният краен изход на системата, като например при приложения за лазерно рязане или лазерно заваряване. Въпреки това, лазерите с ниска мощност/енергийна плътност са полезни за системата вътрешно, могат да намалят щетите, причинени от лазерите, и да попречат на зоната с висока мощност/висока енергийна плътност на лъча да йонизира въздуха.
NO.9 Профил на лъча: Профилът на лъча описва интензитета на разпределението на лъча върху напречното сечение. Общите профили на лъча включват гаусови лъчи и лъчи с плосък връх, а техните профили на лъчи следват съответно функциите на Гаус и плосък връх. Въпреки това, тъй като винаги има определен брой горещи точки или трептения вътре в лазера, никой лазер не може да произведе перфектен гауссов лъч или перфектен лъч с плосък връх, който идеално съответства на идеалния профил на лъча. Разликата между действителния профил на лазерния лъч и идеалния профил на лъча обикновено се описва чрез множество индикатори за измерване (включително фактора M² на лазера).
NO.10 Дивергенция:Въпреки че хората обикновено смятат, че лазерният лъч е колимирана светлина, всъщност лазерният лъч винаги ще има определена степен на отклонение. Дивергенцията описва степента на дифузия на лъча спрямо талията на лъча след разпространение на голямо разстояние поради дифракция. В приложения с дълги работни разстояния, като лазерни радарни системи, където целта и лазерната система може да са на стотици метри една от друга, разминаването става особено важен проблем. Дивергенцията на лъча обикновено се определя от полуъгъла на лазера, а ъгълът на дивергенция (θ) на гаусовия лъч се дефинира като λ е дължината на вълната на лазера, а w0 е талията на лазерния лъч.
NO.11 Размер на петна: Размерът на петното описва диаметъра на петното на фокусирания лазерен лъч, разположен във фокуса на системата от фокусиращи лещи. В много приложения, като обработка на материали и медицинска хирургия, нашата цел е да минимизираме размера на петното. Това може да увеличи максимално плътността на мощността и да създаде особено фини характеристики. Асферичните лещи често се използват за замяна на традиционните сферични лещи за намаляване на сферичните аберации и намаляване на размера на петната. При някои типове лазерни системи лазерът в крайна сметка няма да фокусира лазера в петно, така че в този случай този параметър не се прилага.
Фигура 5: Експерименти с лазерна микромашина в Италианския технологичен институт показват, че ефективността на аблация на наносекундна лазерна пробивна система се увеличава десетократно, когато размерът на петното се намали от 220 микрона на 9 микрона при постоянен поток.
