Det finnes et bredt spekter av vanlige lasersystemer som brukes i en rekke applikasjoner som materialbehandling, laserkirurgi og fjernmåling, men mange lasersystemer har felles nøkkelparametere. Etablering av felles terminologi for disse parameterne forhindrer kommunikasjonsfeil, og forståelsen av dem gjør at lasersystemet og komponentene kan spesifiseres riktig for å oppfylle applikasjonskravene.
Figur 1: Skjematisk diagram av et vanlig lasermaterialbehandlingssystem, der hver av de 10 nøkkelparametrene til lasersystemet er representert med et tilsvarende tall
Grunnleggende parametere
Følgende grunnleggende parametere er de mest grunnleggende konseptene for lasersystemer, og er også kritiske for å forstå mer avanserte punkter
1: Bølgelengde (typiske enheter: nm til um)
Bølgelengden til en laser beskriver den romlige frekvensen til den utsendte lysbølgen. Den optimale bølgelengden for et gitt brukstilfelle er svært applikasjonsavhengig. Ulike materialer vil ha unike bølgelengdeavhengige absorpsjonsegenskaper i materialbehandling, noe som resulterer i ulik interaksjon med materialet. Tilsvarende vil atmosfærisk absorpsjon og interferens påvirke visse bølgelengder forskjellig i fjernmåling, og forskjellige komplekser vil absorbere visse bølgelengder forskjellig i medisinske laserapplikasjoner. Kortere bølgelengdelasere og laseroptikk er fordelaktige for å lage små og presise funksjoner med minimal perifer oppvarming fordi brennpunktet er mindre. Imidlertid er de generelt dyrere og mer utsatt for skade enn lasere med lengre bølgelengde.
2: Effekt og energi (typiske enheter: W eller J)
Effekten til en laser måles i watt (W) og brukes til å beskrive den optiske utgangseffekten til en laser med kontinuerlig bølge (CW) eller gjennomsnittseffekten til en pulserende laser. Pulserende lasere er også preget av deres pulsenergi, som er proporsjonal med gjennomsnittseffekten og omvendt proporsjonal med laserens repetisjonshastighet (figur 2). Energi måles i Joule (J).
Figur 2: Visuell representasjon av forholdet mellom pulsenergi, repetisjonshastighet og gjennomsnittlig kraft til en pulset laser
Høyere effekt- og energilasere er generelt dyrere, og de genererer mer spillvarme. Å opprettholde høy strålekvalitet blir også stadig vanskeligere ettersom kraft og energi øker.
3: Pulsvarighet (typiske enheter: fs til ms)
Laserpulsvarighet eller pulsbredde er vanligvis definert som full bredde ved halv maksimum (FWHM) av laserens optiske effekt kontra tid (Figur 3). Ultraraske lasere gir mange fordeler i en rekke bruksområder, inkludert prosessering av presisjonsmaterialer og medisinske lasere. De er preget av korte pulsvarigheter i størrelsesorden picosekunder (10-12 sekunder) til attosekunder (10-18 og mindre
P(W)
1/Repetisjonsfrekvens
Kjøp tid(er) for offentlig konto
Figur 3: Pulsene til en pulserende laser separeres i tid med inversen av repetisjonsfrekvensen
4: Gjentakelsesfrekvens (typiske enheter: Hz til MHz)
Gjentakelsesfrekvensen eller pulsrepetisjonsfrekvensen til en pulserende laser beskriver antall pulser som sendes ut per sekund eller det inverse tidspulsintervallet (Figur 3). Som nevnt tidligere er repetisjonshastigheten omvendt proporsjonal med pulsenergien og direkte proporsjonal med gjennomsnittseffekten. Selv om repetisjonsfrekvensen generelt er avhengig av laserforsterkningsmediet, kan den variere i mange tilfeller. Høyere repetisjonshastigheter resulterer i kortere termisk avslapningstid ved overflaten av laseroptikken og ved sluttfokus, noe som resulterer i raskere materialoppvarming.
5: Koherenslengde (typiske enheter: millimeter til meter)
Laseren er koherent, noe som betyr at elektriske strømmer på forskjellige tidspunkter eller steder er koherente. Det er et fast forhold mellom feltfaseverdiene. Dette er fordi lasere, i motsetning til de fleste andre typer lyskilder, produseres av stimulert emisjon. Koherenslengden definerer en avstand over hvilken den tidsmessige koherensen til laserlyset forblir konstant gjennom forplantningen av laserlyset, uten degradering under prosessen.
6: Polarisering
Polarisering definerer retningen til det elektriske feltet til lysbølgen, "det er alltid vinkelrett på forplantningsretningen. I de fleste tilfeller vil laserlys være lineært polarisert, noe som betyr at det utsendte elektriske feltet alltid peker i samme retning. Upolarisert lys vil ha et elektrisk felt som peker i mange forskjellige retninger. Graden av polarisering uttrykkes vanligvis som forholdet mellom den optiske kraften til to ortogonale polarisasjonstilstander, for eksempel 100:1 eller 500:1.
Stråleparametere
Følgende parametere karakteriserer formen og kvaliteten på laserstrålen.
7: Strålediameter (typiske enheter: mm til cm)
Strålediameteren til en laser karakteriserer den laterale forlengelsen av strålen, eller dens fysiske størrelse vinkelrett på forplantningsretningen. Det er vanligvis definert som 1/e2-bredden, som er bredden på stråleintensiteten opp til 1/e2 (=13.5%). Ved 1/e2-punktet synker den elektriske feltintensiteten til 1/e (=37%). Jo større strålediameteren er, desto større må optikken og hele systemet være for å unngå stråleavkortning, noe som øker kostnadene. En reduksjon i strålediameter øker imidlertid effekt/energitettheten, noe som også kan være skadelig.
8: Effekt- eller energitetthet (typiske enheter: W/cm2 til MWicm2 eller uJ/cm2 til J/cm2)
Strålediameter er relatert til laserstrålens effekt/energitetthet. Energitetthet, eller mengden optisk kraft/energi per arealenhet. Jo større strålediameteren er, desto lavere effekt/energitetthet har strålen for en konstant effekt eller energi. Høy effekt/energitetthet er ofte ønskelig ved den endelige utgangen av systemet (for eksempel ved laserskjæring eller sveising), men lave effekt/energikonsentrasjoner er ofte fordelaktig inne i systemet for å forhindre laserindusert skade. Dette forhindrer også områder med høy effekt/energitetthet i strålen fra å ionisere luften. Av disse grunner brukes ofte laserstråleekspandere for å øke diameteren og dermed redusere kraft/energitettheten inne i lasersystemet. Imidlertid må man passe på å ikke utvide strålen for mye slik at den blokkeres fra åpninger i systemet, noe som resulterer i bortkastet energi og potensiell skade.
9: Stråleprofil
Stråleprofilen til en laser beskriver den fordelte intensiteten over tverrsnittet av strålen. Vanlige bjelkeprofiler inkluderer gaussiske bjelker og flat-top-bjelker, hvis bjelkeprofiler følger henholdsvis Gauss-funksjonen og flat-top-funksjonen (Figur 4). Ingen laser kan imidlertid produsere en helt gaussisk eller helt flat-top-stråle med en stråleprofil som nøyaktig matcher dens karakteristiske funksjon, fordi det alltid er en viss mengde hot spots eller fluktuasjoner inne i laseren. Forskjellen mellom den faktiske stråleprofilen til en laser og den ideelle stråleprofilen er ofte beskrevet av beregninger inkludert laserens M2-faktor
Gaussiske og flate toppbjelkeprofiler
Figur 4: Sammenligning av stråleprofilene til en gaussisk stråle og en flat toppstråle med lik gjennomsnittlig kraft eller intensitet viser at toppintensiteten til den Gaussiske strålen er det dobbelte av den flate toppstrålen
10: Divergens (typiske enheter: mrad)
Mens laserstråler ofte anses som kollimerte, inneholder de alltid en viss divergens, som beskriver i hvilken grad strålen divergerer i økende avstand fra laserens strålemidje på grunn av diffraksjon. I lange arbeidsavstandsapplikasjoner, som LiDAR-systemer, der objekter kan være hundrevis av meter unna lasersystemet, blir divergens et spesielt viktig problem. Stråledivergens er ofte definert av laserens halve vinkel, og divergensen til en gaussisk stråle (0) er definert som:
W er bølgelengden til laseren og w0 er strålemidjen til laseren
Endelige systemparametere
Disse siste parameterne beskriver ytelsen til lasersystemet ved utgangen
11: Spotstørrelse (typiske enheter: um)
Punktstørrelsen til en fokusert laserstråle beskriver strålediameteren ved fokuset til fokuseringslinsesystemet. I mange applikasjoner som materialbehandling og medisinsk kirurgi er målet å minimere flekkstørrelsen. Dette maksimerer strømtettheten og gjør det mulig å lage spesielt fine funksjoner (Figur 5). Asfæriske linser brukes ofte i stedet for tradisjonelle sfæriske linser for å redusere sfæriske aberrasjoner og produsere mindre brennpunktstørrelser. Noen typer lasersystemer fokuserer til slutt ikke laseren til et punkt, i så fall gjelder ikke denne parameteren.
Figur 5: Lasermikromaskineksperimenter ved det italienske teknologiske instituttet viser en 10-dobling av ablasjonseffektiviteten i et nanosekunds laserboresystem når punktstørrelsen reduseres fra 220um til 9um ved konstant strømningshastighet
12: Arbeidsavstand (typiske enheter: um til m)
Arbeidsavstanden til et lasersystem er typisk definert som den fysiske avstanden fra det endelige optiske elementet (vanligvis en fokuseringslinse) til objektet eller overflaten som laseren er fokusert på. Enkelte applikasjoner, for eksempel medisinske lasere, søker vanligvis å minimere arbeidsavstanden, mens andre, for eksempel fjernmåling, vanligvis har som mål å maksimere arbeidsavstanden.
