Има широка гама от общи лазерни системи за различни приложения, включително обработка на материали, лазерна хирургия и дистанционно наблюдение, но много лазерни системи споделят общи ключови параметри. Установяването на обща терминология за тези параметри предотвратява неправилна комуникация, а разбирането им позволява правилна спецификация на лазерните системи и компоненти, за да отговарят на изискванията на приложението.
Фигура 1: Схема на обща лазерна система за обработка на материали, където всеки от 10-те ключови параметъра на лазерна система е представен със съответно число
Основни параметри
Следните основни параметри са най-фундаменталните понятия на лазерна система и са от съществено значение за разбирането на по-напредналите точки.
1: Дължина на вълната (типични единици: nm до µm)
Дължината на вълната на лазера описва пространствената честота на излъчваната светлинна вълна. Оптималната дължина на вълната за даден случай на употреба силно зависи от приложението. Различните материали ще имат уникални зависещи от дължината на вълната абсорбционни свойства при обработката на материала, което води до различни взаимодействия с материала. По същия начин атмосферното поглъщане и смущения ще повлияят по различен начин на определени дължини на вълните при дистанционно наблюдение, а различни комплекси ще абсорбират определени дължини на вълните по различен начин в медицински лазерни приложения. Лазерите с по-къса дължина на вълната и лазерната оптика улесняват създаването на малки, прецизни характеристики с минимално периферно нагряване, тъй като фокусното петно е по-малко. Те обаче обикновено са по-скъпи и по-лесно се повреждат от лазерите с по-голяма дължина на вълната.
2: Мощност и енергия (типични единици: W или J)
Мощността на лазера се измерва във ватове (W) и се използва за характеризиране на изходната оптична мощност на лазер с непрекъсната вълна (CW) или средната мощност на импулсен лазер. Импулсните лазери също се характеризират със своята импулсна енергия, която е пропорционална на средната мощност и обратно пропорционална на скоростта на повторение на лазера (Фигура 2). Енергията се измерва в джаули (J).
Фигура 2: Визуално представяне на връзката между импулсна енергия, честота на повторение и средна мощност на импулсен лазер
Лазерите с по-висока мощност и енергия обикновено са по-скъпи и произвеждат повече отпадна топлина. Поддържането на качеството на дългите светлини също става по-трудно с увеличаване на мощността и енергията.
3: Продължителност на импулса (типични единици: fs до ms)
Продължителността на лазерния импулс или ширината на импулса обикновено се определя като пълната ширина на половин максимум (FWHM) на мощността на лазерната светлина спрямо времето (Фигура 3). Свръхбързите лазери предлагат много предимства в редица приложения, включително прецизна обработка на материали и медицински лазери, и се характеризират с кратка продължителност на импулса от около пикосекунди (10-12 секунди) до атосекунди (10-18 секунди).
Фигура 3: Импулсни лазерни импулси, разделени във времето от реципрочната стойност на честотата на повторение
4: Честота на повторение (типични единици: Hz до MHz)
Скоростта на повторение или честотата на повторение на импулса на импулсен лазер описва броя на импулсите, излъчвани за секунда, или обратния времеви импулсен интервал (Фигура 3). Както бе споменато по-рано, честотата на повторение е обратно пропорционална на импулсната енергия и право пропорционална на средната мощност. Въпреки че честотата на повторение обикновено зависи от средата за лазерно усилване, тя може да варира в много случаи. По-високите честоти на повторение водят до по-кратки времена на термична релаксация на повърхността на лазерната оптика и в крайната фокусна точка, което води до по-бързо нагряване на материала.
5: Кохерентна дължина (типични единици: милиметри до метри)
Лазерите са кохерентни, което означава, че има фиксирана връзка между фазовите стойности на електрическото поле в различни моменти или места. Това е така, защото за разлика от повечето други видове източници на светлина, лазерите се произвеждат чрез възбудено излъчване. Кохерентността се влошава по време на процеса на разпространение, а кохерентната дължина на лазера определя разстоянието, върху което времевата кохерентност на лазера се поддържа с определено качество.
6: Поляризация
Поляризацията определя посоката на електрическото поле на светлинната вълна, която винаги е перпендикулярна на посоката на разпространение. В повечето случаи лазерът ще бъде линейно поляризиран, което означава, че излъчваното електрическо поле винаги сочи в една и съща посока. Неполяризираната светлина ще има електрическо поле, което сочи в много различни посоки. Степента на поляризация обикновено се изразява като съотношението на фокусните разстояния на светлината в две ортогонално поляризирани състояния, например 100:1 или 500:1.
Параметри на лъча
Следните параметри характеризират формата и качеството на лазерния лъч.
7: Диаметър на лъча (типични единици: mm до cm)
Диаметърът на лъча на лазера характеризира страничното разширение на лъча или неговия физически размер, перпендикулярен на посоката на разпространение. Обикновено се определя като ширина 1/e2, която се достига от интензитета на лъча при 1/e2 (≈ 13,5%). В точката 1/e2 напрегнатостта на електрическото поле пада до 1/e (≈ 37%). Колкото по-голям е диаметърът на лъча, толкова по-голяма трябва да бъде оптиката и цялата система, за да се избегне отрязването на лъча, което увеличава цената. Намаляването на диаметъра на лъча обаче увеличава плътността на мощността/енергията, което също може да бъде пагубно.
8: Мощност или енергийна плътност (типични единици: W/cm2 до MW/cm2 или µJ/cm2 до J/cm2)
Диаметърът на лъча се отнася до мощността/енергийната плътност на лазерния лъч или оптичната мощност/енергия на единица площ. Колкото по-голям е диаметърът на лъча, толкова по-ниска е плътността на мощността/енергията на лъча с постоянна мощност или енергия. При крайния изход на системата (напр. при лазерно рязане или заваряване) често е желателна висока плътност на мощност/енергия, но в системата ниската концентрация на мощност/енергия често е от полза за предотвратяване на щети, предизвикани от лазера. Това също предотвратява йонизацията на въздуха в областта с висока мощност/енергийна плътност на лъча. Поради тези причини, наред с други, разширителите на лазерен лъч често се използват за увеличаване на диаметъра и по този начин намаляване на мощността/енергийната плътност вътре в лазерната система. Въпреки това, трябва да се внимава да не се разшири лъчът толкова много, че да се скрие от отворите в системата, което води до загуба на енергия и потенциална повреда.
9: Профил на лъча
Профилът на лъча на лазера описва разпределения интензитет в напречното сечение на лъча. Общите профили на лъча включват гаусови и плоски лъчи, чиито профили на лъчи следват съответно функциите на Гаус и плоския връх (Фигура 4). Никой лазер обаче не може да произведе напълно Гаус или напълно плосък горен лъч с профил на лъча, който точно съответства на неговата собствена функция, тъй като винаги има определен брой горещи точки или флуктуации вътре в лазера. Разликата между действителния профил на лазерния лъч и идеалния профил на лъча обикновено се описва с метрика, която включва коефициента M2 на лазера.
Фигура 4: Сравнение на профила на лъча на лъч на Гаус със същата средна мощност или интензитет и лъч с плосък връх показва, че пиковият интензитет на лъча на Гаус е два пъти по-голям от този на лъча с плосък връх.
10: Дивергенция (типични единици: mrad)
Въпреки че лазерните лъчи обикновено се считат за колимирани, те винаги съдържат известно количество отклонение, което описва степента, до която лъчът се отклонява при нарастващи разстояния от талията на лазерния лъч поради дифракция. В приложения с дълги работни разстояния, като LIDAR системи, където обектите могат да бъдат на стотици метри от лазерната система, дивергенцията става особено важен проблем. Дивергенцията на лъча обикновено се определя от полуъгъла на лазера, а дивергенцията (θ) на гаусов лъч се дефинира като:
Снимка.
λ е дължината на вълната на лазера и w0 е талията на лъча на лазера.
Крайни системни параметри
Тези крайни параметри описват работата на лазерната система на изхода.
11: Размер на петна (типична единица: µm)
Размерът на петното на фокусиран лазерен лъч описва диаметъра на лъча във фокусната точка на системата от фокусиращи лещи. В много приложения, като обработка на материали и медицинска хирургия, целта е да се минимизира размерът на петна. Това увеличава максимално плътността на мощността и позволява създаването на изключително фини характеристики. Асферичните лещи често се използват вместо традиционните сферични лещи, за да се сведе до минимум сферичната аберация и да се получат по-малки размери на фокусното петно. Някои видове лазерни системи в крайна сметка не фокусират лазера към точката, в който случай този параметър не се прилага.
12: Работно разстояние (типични единици: µm до m)
Работното разстояние на лазерната система обикновено се определя като физическото разстояние от крайния оптичен елемент (обикновено фокусиращата леща) до обекта или повърхността, върху която е фокусиран лазерът. Някои приложения, като например медицински лазери, обикновено се стремят да намалят работното разстояние, докато други приложения, като дистанционно наблюдение, обикновено се стремят да увеличат максимално обхвата на работното си разстояние.
