Erinevates rakendustes, nagu materjalitöötlus, laserkirurgia ja kaugseire, kasutatakse laia valikut tavalisi lasersüsteeme, kuid paljudel lasersüsteemidel on ühised põhiparameetrid. Nende parameetrite jaoks ühtse terminoloogia loomine hoiab ära sidevead ning nende mõistmine võimaldab lasersüsteemi ja komponente õigesti määratleda, et need vastaksid rakenduse nõuetele.
Joonis 1: Levinud lasermaterjalide töötlemissüsteemi skemaatiline diagramm, kus lasersüsteemi iga 10 võtmeparameetrit on tähistatud vastava numbriga
Põhiparameetrid
Järgmised põhiparameetrid on lasersüsteemide kõige põhilisemad kontseptsioonid ja on samuti üliolulised täpsemate punktide mõistmiseks
1: lainepikkus (tavalised ühikud: nm kuni um)
Laseri lainepikkus kirjeldab kiiratava valguslaine ruumilist sagedust. Antud kasutusjuhtumi optimaalne lainepikkus sõltub suuresti rakendusest. Erinevatel materjalidel on materjali töötlemisel ainulaadsed lainepikkusest sõltuvad neeldumisomadused, mille tulemuseks on erinev interaktsioon materjaliga. Samamoodi mõjutavad atmosfääri neeldumine ja häired teatud lainepikkusi kaugseires erinevalt ja erinevad kompleksid neelavad teatud lainepikkusi erinevalt meditsiinilistes laserrakendustes. Lühema lainepikkusega laserid ja laseroptika on kasulikud väikeste ja täpsete funktsioonide loomiseks minimaalse perifeerse kuumutamisega, kuna fookuspunkt on väiksem. Siiski on need üldiselt kallimad ja kahjustustele vastuvõtlikumad kui pikema lainepikkusega laserid.
2: võimsus ja energia (tavalised ühikud: W või J)
Laseri võimsust mõõdetakse vattides (W) ja seda kasutatakse pidevlaine (CW) laseri optilise väljundvõimsuse või impulsslaseri keskmise võimsuse kirjeldamiseks. Impulsslasereid iseloomustab ka nende impulsienergia, mis on võrdeline keskmise võimsusega ja pöördvõrdeline laseri kordussagedusega (joonis 2). Energiat mõõdetakse džaulides (J).
Joonis 2: impulsi energia, kordussageduse ja impulsslaseri keskmise võimsuse vahelise seose visuaalne esitus
Suurema võimsusega ja energiaga laserid on üldiselt kallimad ja tekitavad rohkem heitsoojust. Kaugtulede kvaliteedi säilitamine muutub ka võimsuse ja energia suurenedes üha keerulisemaks.
3: impulsi kestus (tüüpilised ühikud: fs kuni ms)
Laseriimpulsi kestus või impulsi laius on tavaliselt defineeritud kui laseri optilise võimsuse täislaius poole maksimumi juures (FWHM) sõltuvalt ajast (joonis 3). Ülikiired laserid pakuvad palju eeliseid mitmesugustes rakendustes, sealhulgas materjalide täppistöötluses ja meditsiinilistes laserites. Neid iseloomustavad lühikesed impulsi kestused pikosekundite (10-12 sekundit) kuni attosekundini (10-18 ja vähem)
P(W)
1/Kordussagedus
Ostke avaliku konto aeg(ad)
Joonis 3: Impulsslaseri impulsid on ajaliselt eraldatud kordussageduse pöördväärtusega
4: kordussagedus (tavalised ühikud: Hz kuni MHz)
Impulsslaseri kordussagedus ehk impulsi kordussagedus kirjeldab sekundis kiiratavate impulsside arvu või impulsi pöördajalist intervalli (joonis 3). Nagu varem mainitud, on kordussagedus pöördvõrdeline impulsi energiaga ja otseselt proportsionaalne keskmise võimsusega. Kuigi kordussagedus sõltub üldiselt laseri võimenduskeskkonnast, võib see paljudel juhtudel varieeruda. Suurema kordussageduse tulemuseks on lühemad termilise lõdvestumisajad laseroptika pinnal ja lõppfookuses, mille tulemuseks on kiirem materjali kuumenemine.
5: koherentsuse pikkus (tavalised ühikud: millimeetritest meetriteni)
Laser on koherentne, mis tähendab, et elektrivoolud erinevatel aegadel või kohtades on koherentsed. Väljafaasi väärtuste vahel on kindel seos. Seda seetõttu, et erinevalt enamikust teist tüüpi valgusallikatest toodetakse lasereid stimuleeritud emissiooni teel. Koherentsuse pikkus määratleb kauguse, mille jooksul laservalguse ajaline koherentsus jääb konstantseks kogu laservalguse levimise ajal, ilma protsessi käigus halvenemata.
6: Polarisatsioon
Polarisatsioon määrab valguslaine elektrivälja suuna, "see on alati levimissuunaga risti. Enamikul juhtudel on laservalgus lineaarselt polariseeritud, mis tähendab, et kiiratav elektriväli osutab alati samas suunas. Polariseerimata valgus on elektriväli, mis osutab erinevatesse suundadesse Polarisatsiooniastet väljendatakse tavaliselt kahe ortogonaalse polarisatsiooni oleku optilise võimsuse suhtena, näiteks 100:1 või 500:1.
Tala parameetrid
Laserkiire kuju ja kvaliteeti iseloomustavad järgmised parameetrid.
7: tala läbimõõt (tavalised ühikud: mm kuni cm)
Laseri kiire läbimõõt iseloomustab kiire külgsuunalist pikenemist ehk selle füüsilist suurust, mis on risti levimissuunaga. Tavaliselt määratletakse seda kui 1/e2 laiust, mis on kiire intensiivsuse laius kuni 1/e2 (=13,5%). Punktis 1/e2 langeb elektrivälja intensiivsus väärtusele 1/e (=37%). Mida suurem on tala läbimõõt, seda suurem peab olema optika ja kogu süsteem, et vältida kiire kärpimist, mis suurendab kulusid. Kuid kiire läbimõõdu vähendamine suurendab võimsuse/energia tihedust, mis võib samuti olla kahjulik.
8: võimsus või energiatihedus (tavalised ühikud: W/cm2 kuni MWicm2 või uJ/cm2 kuni J/cm2)
Kiire läbimõõt on seotud laserkiire võimsuse/energiatihedusega. Energiatihedus ehk optilise võimsuse/energia hulk pindalaühiku kohta. Mida suurem on kiire läbimõõt, seda väiksem on kiire võimsus/energiatihedus konstantse võimsuse või energia korral. Süsteemi lõppväljundis (näiteks laserlõikamisel või keevitamisel) on sageli soovitav kõrge võimsus/energiatihedus, kuid madalad võimsuse/energia kontsentratsioonid on sageli kasulikud süsteemi sees, et vältida laseri poolt põhjustatud kahjustusi. See takistab ka kiire suure võimsuse/energiatihedusega aladel õhku ioniseerimast. Nendel põhjustel kasutatakse muu hulgas sageli laserkiire laiendajaid, et suurendada läbimõõtu ja seeläbi vähendada lasersüsteemi sees olevat võimsust/energiatihedust. Siiski tuleb jälgida, et valgusvihk ei laieneks liiga palju, et see blokeeritaks süsteemi avade eest, mille tulemuseks on energia raiskamine ja võimalikud kahjustused.
9: tala profiil
Laseri kiire profiil kirjeldab jaotatud intensiivsust üle kiire ristlõike. Levinud talaprofiilide hulka kuuluvad Gaussi talad ja lametalad, mille talaprofiilid järgivad vastavalt Gaussi funktsiooni ja lameda ülaosa funktsiooni (joonis 4). Ükski laser ei suuda aga tekitada täiesti Gaussi või täiesti lameda ülaosaga kiirt, mille kiire profiil vastab täpselt sellele iseloomulikule funktsioonile, sest laseri sees on alati teatud hulk kuumi kohti või kõikumisi. Laseri tegeliku kiire profiili ja ideaalse kiirprofiili erinevust kirjeldatakse sageli mõõdikutega, mis hõlmavad laseri M2-tegurit
Gaussi ja lamedad ülemise tala profiilid
Joonis 4: Gaussi tala ja võrdse keskmise võimsuse või intensiivsusega lameda ülemise tala tala profiilide võrdlus näitab, et Gaussi tala tippintensiivsus on kaks korda suurem kui lameda ülemise tala oma
10: lahknevus (tavalised ühikud: mrad)
Kuigi laserkiirt peetakse sageli kollimeeritud, sisaldavad need alati teatud määral lahknemist, mis kirjeldab seda, mil määral kiir lahkneb difraktsiooni tõttu laserkiire vööst suureneva kauguse korral. Pika töökaugusega rakendustes, näiteks LiDAR-süsteemides, kus objektid võivad lasersüsteemist olla sadade meetrite kaugusel, muutub lahknemine eriti oluliseks probleemiks. Kiire divergents määratakse sageli laseri poolnurgaga ja Gaussi kiire lahknemine (0) on määratletud järgmiselt:
W on laseri lainepikkus ja w{0}} on laseri lainepikkus
Süsteemi lõplikud parameetrid
Need lõplikud parameetrid kirjeldavad lasersüsteemi jõudlust väljundis
11: punkti suurus (tavalised ühikud: um)
Fokuseeritud laserkiire punkti suurus kirjeldab kiire läbimõõtu teravustamisläätsede süsteemi fookuses. Paljudes rakendustes, nagu materjalitöötlus ja meditsiiniline kirurgia, on eesmärk minimeerida koha suurust. See maksimeerib võimsustihedust ja võimaldab luua eriti peeneid omadusi (joonis 5). Asfäärilisi läätsi kasutatakse sageli traditsiooniliste sfääriliste läätsede asemel, et vähendada sfäärilisi aberratsioone ja tekitada väiksemaid fookuspunkti suurusi. Teatud tüüpi lasersüsteemid ei fokusseeri laserit lõppkokkuvõttes punktile, sel juhul see parameeter ei kehti.
Joonis 5: Itaalia Tehnoloogiainstituudis tehtud lasermikrotöötluskatsed näitavad nanosekundilise laserpuurimissüsteemi ablatsiooni efektiivsuse 10-kordset suurenemist, kui täpi suurust vähendatakse 220 um-lt 9 um-le konstantse voolukiiruse juures
12: töökaugus (tavalised ühikud: um kuni m)
Lasersüsteemi töökaugus on tavaliselt määratletud kui füüsiline kaugus lõplikust optilisest elemendist (tavaliselt fokusseerivast läätsest) objekti või pinnani, millele laser fokusseeritakse. Teatud rakendused, nagu meditsiinilaserid, püüavad tavaliselt töökaugust minimeerida, samas kui teised, näiteks kaugseire, püüavad tavaliselt oma töökauguse ulatust maksimeerida.
