Det finns ett brett utbud av vanliga lasersystem för en mängd olika applikationer, inklusive materialbearbetning, laserkirurgi och fjärranalys, men många lasersystem delar gemensamma nyckelparametrar. Att etablera en gemensam terminologi för dessa parametrar förhindrar felkommunikation, och att förstå dem möjliggör korrekt specifikation av lasersystem och komponenter för att möta applikationskrav.
Figur 1: Schematisk beskrivning av ett vanligt lasermaterialbehandlingssystem, där var och en av de 10 nyckelparametrarna i ett lasersystem representeras av ett motsvarande nummer
Grundläggande parametrar
Följande grundparametrar är de mest grundläggande begreppen i ett lasersystem och är väsentliga för att förstå de mer avancerade punkterna.
1: Våglängd (typiska enheter: nm till µm)
Våglängden för en laser beskriver den spatiala frekvensen för den emitterade ljusvågen. Den optimala våglängden för ett givet användningsfall är starkt beroende av applikationen. Olika material kommer att ha unika våglängdsberoende absorptionsegenskaper vid materialbearbetning, vilket resulterar i olika interaktioner med materialet. På liknande sätt kommer atmosfärisk absorption och interferens att påverka vissa våglängder på olika sätt vid fjärranalys, och olika komplex kommer att absorbera vissa våglängder på olika sätt i medicinska laserapplikationer. Lasrar med kortare våglängd och laseroptik underlättar skapandet av små, exakta funktioner med minimal perifer uppvärmning eftersom brännpunkten är mindre. Men de är vanligtvis dyrare och lättare att skadas än lasrar med längre våglängd.
2: Effekt och energi (typiska enheter: W eller J)
Effekten hos en laser mäts i watt (W) och används för att karakterisera den optiska uteffekten hos en laser med kontinuerlig våg (CW) eller medeleffekten hos en pulsad laser. Pulsade lasrar kännetecknas också av sin pulsenergi, som är proportionell mot medeleffekten och omvänt proportionell mot laserns repetitionshastighet (Figur 2). Energi mäts i joule (J).
Figur 2: Visuell representation av förhållandet mellan pulsenergi, repetitionshastighet och medeleffekt för en pulsad laser
Lasrar med högre effekt och energi är vanligtvis dyrare och de producerar mer spillvärme. Att upprätthålla hög strålkvalitet blir också svårare med ökad effekt och energi.
3: Pulslängd (typiska enheter: fs till ms)
Laserpulsens varaktighet eller pulsbredd definieras vanligtvis som den fulla bredden vid halvmaximum (FWHM) av laserljuseffekten mot tiden (Figur 3). Ultrasnabba lasrar erbjuder många fördelar i en rad tillämpningar, inklusive precisionsmaterialbearbetning och medicinska lasrar, och kännetecknas av korta pulslängder på cirka pikosekunder (10-12 sekunder) till attosekunder (10-18 sekunder).
Figur 3: Pulsade laserpulser separerade i tid av den reciproka repetitionsfrekvensen
4: Upprepningshastighet (typiska enheter: Hz till MHz)
Upprepningsfrekvensen eller pulsupprepningsfrekvensen för en pulsad laser beskriver antalet pulser som emitteras per sekund eller det omvända tidspulsintervallet (Figur 3). Som nämnts tidigare är upprepningshastigheten omvänt proportionell mot pulsenergin och direkt proportionell mot medeleffekten. Även om upprepningshastigheten vanligtvis beror på laserförstärkningsmediet, kan den variera i många fall. Högre upprepningshastigheter resulterar i kortare termiska relaxationstider vid ytan av laseroptiken och vid den slutliga fokuspunkten, vilket leder till snabbare materialuppvärmning.
5: Koherenslängd (typiska enheter: millimeter till meter)
Lasrar är koherenta, vilket innebär att det finns ett fast förhållande mellan fasvärdena för det elektriska fältet vid olika tidpunkter eller platser. Detta beror på att till skillnad från de flesta andra typer av ljuskällor produceras lasrar av exciterad emission. Koherens försämras under hela utbredningsprocessen, och koherenslängden för en laser definierar ett avstånd över vilket den tidsmässiga koherensen hos lasern bibehålls vid en viss kvalitet.
6: Polarisering
Polarisering definierar riktningen för det elektriska fältet för en ljusvåg, som alltid är vinkelrät mot utbredningsriktningen. I de flesta fall kommer lasern att vara linjärt polariserad, vilket innebär att det utsända elektriska fältet alltid pekar i samma riktning. Opolariserat ljus kommer att ha ett elektriskt fält som pekar i många olika riktningar. Graden av polarisation uttrycks vanligtvis som förhållandet mellan ljusets brännvidder i två ortogonalt polariserade tillstånd, t.ex. 100:1 eller 500:1.
Strålparametrar
Följande parametrar kännetecknar formen och kvaliteten på en laserstråle.
7: Balkdiameter (typiska enheter: mm till cm)
Stråldiametern hos en laser kännetecknar strålens laterala utsträckning, eller dess fysiska dimension vinkelrätt mot utbredningsriktningen. Det definieras vanligtvis som 1/e2-bredden, som nås av strålintensiteten vid 1/e2 (≈ 13,5%). Vid 1/e2-punkten sjunker den elektriska fältstyrkan till 1/e (≈ 37%). Ju större stråldiametern är, desto större måste optiken och hela systemet vara för att undvika trunkering av strålen, vilket ökar kostnaden. En minskning av strålens diameter ökar dock effekt-/energitätheten, vilket också kan vara skadligt.
8: Effekt eller energitäthet (typiska enheter: W/cm2 till MW/cm2 eller µJ/cm2 till J/cm2)
Stråldiametern hänför sig till laserstrålens effekt/energitäthet eller den optiska effekten/energin per ytenhet. Ju större stråldiametern är, desto lägre effekt/energitäthet har en stråle med konstant effekt eller energi. Vid den slutliga uteffekten av systemet (t.ex. vid laserskärning eller svetsning) är en hög effekt/energitäthet ofta önskvärd, men inom systemet är en låg effekt/energikoncentration ofta fördelaktig för att förhindra laserinducerad skada. Detta förhindrar också jonisering av luften i strålens område med hög effekt/energitäthet. Bland annat av dessa skäl används ofta laserstråleexpanderare för att öka diametern och därigenom minska effekt/energitätheten inuti lasersystemet. Man måste dock se till att inte utvidga strålen så mycket att strålen skyms från öppningarna i systemet, vilket leder till slöseri med energi och potentiell skada.
9: Strålprofil
Strålprofilen för en laser beskriver den fördelade intensiteten i strålens tvärsnitt. Vanliga balkprofiler inkluderar gaussiska och flattop-balkar, vars balkprofiler följer Gauss- respektive flattop-funktionerna (Figur 4). Ingen laser kan dock producera en helt Gaussisk eller helt platt toppstråle med en strålprofil som exakt matchar dess egenfunktion, eftersom det alltid finns ett visst antal hot spots eller fluktuationer inuti lasern. Skillnaden mellan den faktiska strålprofilen för en laser och den ideala strålprofilen beskrivs vanligtvis av ett mått som inkluderar laserns M2-faktor.
Figur 4: En jämförelse av strålprofilen för en gaussisk stråle med samma genomsnittliga effekt eller intensitet och en flat-top-stråle visar att toppintensiteten för den Gaussiska strålen är dubbelt så hög som för den platta strålen.
10: Divergens (typiska enheter: mrad)
Även om laserstrålar vanligtvis anses vara kollimerade innehåller de alltid en viss divergens, vilket beskriver i vilken grad strålen divergerar på ökande avstånd från laserns strålemidja på grund av diffraktion. I applikationer med långa arbetsavstånd, såsom LIDAR-system där föremål kan vara hundratals meter bort från lasersystemet, blir divergens en särskilt viktig fråga. Stråldivergens definieras vanligtvis av laserns halva vinkel, och divergensen (θ) för en Gaussstråle definieras som:
Bild.
λ är laserns våglängd och w0 är laserns midja.
Slutliga systemparametrar
Dessa sista parametrar beskriver lasersystemets prestanda vid utgång.
11: Fläckstorlek (typisk enhet: µm)
Punktstorleken för en fokuserad laserstråle beskriver strålens diameter vid fokuseringslinssystemets brännpunkt. I många applikationer, såsom materialbearbetning och medicinsk kirurgi, är målet att minimera fläckstorleken. Detta maximerar effekttätheten och tillåter skapandet av exceptionellt fina funktioner. Asfäriska linser används ofta i stället för traditionella sfäriska linser för att minimera sfärisk aberration och producera mindre brännpunktsstorlekar. Vissa typer av lasersystem fokuserar inte i slutändan lasern till platsen, i vilket fall denna parameter inte gäller.
12: Arbetsavstånd (typiska enheter: µm till m)
Arbetsavståndet för ett lasersystem definieras vanligtvis som det fysiska avståndet från det slutliga optiska elementet (vanligtvis fokuseringslinsen) till objektet eller ytan som lasern är fokuserad på. Vissa applikationer, såsom medicinska lasrar, strävar vanligtvis efter att minimera arbetsavståndet, medan andra applikationer, t.ex. fjärranalys, vanligtvis syftar till att maximera deras arbetsavståndsräckvidd.
