Існує широкий спектр поширених лазерних систем, які використовуються в різних сферах застосування, таких як обробка матеріалів, лазерна хірургія та дистанційне зондування, але багато лазерних систем мають спільні ключові параметри. Встановлення загальної термінології для цих параметрів запобігає помилкам зв’язку, а їх розуміння дозволяє правильно визначити лазерну систему та компоненти відповідно до вимог застосування.
Рисунок 1: Схематична діаграма загальної лазерної системи обробки матеріалу, де кожен із 10 ключових параметрів лазерної системи представлено відповідним числом
Основні параметри
Наступні основні параметри є основними поняттями лазерних систем, а також мають вирішальне значення для розуміння більш складних моментів
1: Довжина хвилі (типові одиниці від нм до мкм)
Довжина хвилі лазера описує просторову частоту випромінюваної світлової хвилі. Оптимальна довжина хвилі для певного випадку використання сильно залежить від застосування. Різні матеріали матимуть унікальні залежні від довжини хвилі властивості поглинання під час обробки матеріалу, що призводить до різної взаємодії з матеріалом. Подібним чином атмосферне поглинання та інтерференція по-різному впливатимуть на певні довжини хвиль у дистанційному зондуванні, а різні комплекси по-різному поглинатимуть певні довжини хвиль у медичних лазерних застосуваннях. Лазери з меншою довжиною хвилі та лазерна оптика є корисними для створення дрібних і точних елементів із мінімальним периферійним нагріванням, оскільки фокусна пляма менша. Однак вони, як правило, дорожчі та більш сприйнятливі до пошкоджень, ніж лазери з довшою довжиною хвилі.
2: Потужність і енергія (типові одиниці: Вт або Дж)
Потужність лазера вимірюється у Ватах (Вт) і використовується для опису вихідної оптичної потужності лазера безперервної хвилі (CW) або середньої потужності імпульсного лазера. Імпульсні лазери також характеризуються енергією імпульсу, яка пропорційна середній потужності та обернено пропорційна частоті повторення лазера (рис. 2). Енергія вимірюється в Джоулях (Дж).
Рисунок 2: Візуальне представлення співвідношення між енергією імпульсу, частотою повторення та середньою потужністю імпульсного лазера
Лазери з більшою потужністю та енергією, як правило, дорожчі, і вони виділяють більше відпрацьованого тепла. Підтримання якості дальнього світла також стає дедалі складнішим із збільшенням потужності та енергії.
3: Тривалість імпульсу (типові одиниці: фс до мс)
Тривалість або ширина імпульсу лазера зазвичай визначається як повна ширина на половині максимуму (FWHM) оптичної потужності лазера від часу (рис. 3). Надшвидкісні лазери пропонують багато переваг у ряді застосувань, включаючи точну обробку матеріалів і медичні лазери. Вони характеризуються короткою тривалістю імпульсу від пікосекунд (10-12 секунд) до аттосекунд (10-18 і менше).
P(W)
1/Швидкість повторення
Придбати час(и) публічного облікового запису
Рисунок 3: Імпульси імпульсного лазера розділені в часі за частотою, оберненою до частоти повторення
4: Частота повторення (типові одиниці: Гц до МГц)
Частота повторення або частота повторення імпульсів імпульсного лазера описує кількість імпульсів, що випромінюються за секунду, або інтервал імпульсів, обернений до часу (рис. 3). Як згадувалося раніше, частота повторення обернено пропорційна енергії імпульсу і прямо пропорційна середній потужності. Хоча частота повторення зазвичай залежить від середовища посилення лазера, у багатьох випадках вона може змінюватися. Вищі частоти повторення призводять до коротшого часу теплової релаксації на поверхні лазерної оптики та в кінцевому фокусі, що призводить до швидшого нагрівання матеріалу.
5: Когерентна довжина (типові одиниці: міліметри в метри)
Лазер є когерентним, що означає, що електричні струми в різний час або в різних місцях когерентні. Існує фіксована залежність між значеннями фази поля. Це пояснюється тим, що лазери, на відміну від більшості інших типів джерел світла, виробляються шляхом вимушеного випромінювання. Довжина когерентності визначає відстань, на якій часова когерентність лазерного світла залишається постійною протягом усього часу поширення лазерного світла без погіршення під час процесу.
6: Поляризація
Поляризація визначає напрямок електричного поля світлової хвилі, «вона завжди перпендикулярна до напрямку поширення. У більшості випадків лазерне світло буде лінійно поляризованим, тобто випромінюване електричне поле завжди вказує в одному напрямку. Неполяризоване світло буде мати електричне поле, спрямоване в багатьох різних напрямках, як правило, виражається як співвідношення оптичної потужності двох ортогональних станів поляризації, наприклад 100:1 або 500:1.
Параметри променя
Наступні параметри характеризують форму і якість лазерного променя.
7: Діаметр балки (типові одиниці: мм до см)
Діаметр променя лазера характеризує поперечне розширення променя або його фізичний розмір, перпендикулярний до напрямку поширення. Зазвичай вона визначається як ширина 1/e2, яка є шириною інтенсивності променя до 1/e2 (=13.5%). У точці 1/e2 напруженість електричного поля падає до 1/e (=37%). Чим більший діаметр променя, тим більшою повинна бути оптика і вся система, щоб уникнути скорочення променя, що збільшує вартість. Однак зменшення діаметра променя збільшує щільність потужності/енергії, що також може бути шкідливим.
8: Щільність потужності або енергії (типові одиниці: Вт/см2 до МВт-см2 або мДж/см2 до Дж/см2)
Діаметр променя пов’язаний із щільністю потужності/енергії лазерного променя. Щільність енергії або кількість оптичної потужності/енергії на одиницю площі. Чим більший діаметр променя, тим менша щільність потужності/енергії променя для постійної потужності або енергії. Висока щільність потужності/енергії часто є бажаною на кінцевому виході системи (наприклад, під час лазерного різання або зварювання), але низькі концентрації потужності/енергії часто є корисними всередині системи, щоб запобігти пошкодженню, спричиненому лазером. Це також запобігає іонізації повітря областями високої потужності/щільності енергії променя. З цих причин, серед інших, розширювачі лазерного променя часто використовуються для збільшення діаметра і, таким чином, зменшення щільності потужності/енергії всередині лазерної системи. Однак слід бути обережним, щоб не розширити промінь надто сильно, щоб він не закривав отвори в системі, що призвело б до марної витрати енергії та потенційного пошкодження.
9: Профіль променя
Профіль променя лазера описує розподіл інтенсивності по поперечному перерізу променя. Загальні профілі пучка включають гаусові пучки та пучки з плоскою вершиною, профілі яких відповідають функції Гаусса та функції плоскої вершини відповідно (рис. 4). Однак жоден лазер не може створити повністю гаусівський або повністю плоский промінь з профілем променя, який точно відповідає його характерній функції, оскільки всередині лазера завжди є певна кількість гарячих точок або флуктуацій. Різниця між фактичним профілем променя лазера та ідеальним профілем променя часто описується метрикою, включаючи коефіцієнт M2 лазера
Профілі Гауса та плоского верхнього променя
Малюнок 4: Порівняння профілів пучка Гауса та плоского верхнього променя однакової середньої потужності або інтенсивності показує, що пікова інтенсивність гаусового променя вдвічі більша, ніж у плоского верхнього променя.
10: Розбіжність (типові одиниці: мрад)
Хоча лазерні промені часто вважаються колімованими, вони завжди містять певну розбіжність, яка описує ступінь, до якої промінь розходиться на збільшенні відстані від талії лазерного променя через дифракцію. У додатках на великій відстані, таких як системи LiDAR, де об’єкти можуть перебувати на відстані сотень метрів від лазерної системи, розбіжність стає особливо важливою проблемою. Розбіжність променя часто визначається півкутом лазера, а розбіжність гаусового променя (0) визначається як:
W – довжина хвилі лазера, а w0 – перетяжка променя лазера
Остаточні параметри системи
Ці кінцеві параметри описують продуктивність лазерної системи на виході
11: Розмір плями (типові одиниці: мкм)
Розмір плями сфокусованого лазерного променя описує діаметр променя у фокусі системи фокусуючих лінз. У багатьох сферах застосування, таких як обробка матеріалів і медична хірургія, метою є мінімізація розміру плями. Це максимізує щільність потужності та дозволяє створювати особливо тонкі характеристики (рис. 5). Асферичні лінзи часто використовуються замість традиційних сферичних лінз, щоб зменшити сферичні аберації та створити менші розміри фокусної плями. Деякі типи лазерних систем остаточно не фокусують лазер на точку, у цьому випадку цей параметр не застосовується.
Рисунок 5. Експерименти лазерної мікрообробки в Італійському технологічному інституті показують 10-кратне збільшення ефективності абляції в наносекундній системі лазерного свердління, коли розмір плями зменшено з 220 мкм до 9 мкм при постійній швидкості потоку
12: Робоча відстань (типові одиниці: мкм до м)
Робоча відстань лазерної системи зазвичай визначається як фізична відстань від кінцевого оптичного елемента (зазвичай фокусуючої лінзи) до об’єкта або поверхні, на яку сфокусовано лазер. Деякі програми, як-от медичні лазери, зазвичай прагнуть мінімізувати робочу відстань, тоді як інші, наприклад дистанційне зондування, зазвичай прагнуть максимізувати діапазон робочої відстані.
