Postoji širok spektar laserskih sistema opšte namene za različite primene kao što su obrada materijala, laserska hirurgija i daljinsko ispitivanje, ali mnogi laserski sistemi dele zajedničke ključne parametre. Uspostavljanje zajedničke terminologije za ove parametre sprečava nesporazume, a njihovo razumevanje omogućava ispravnu specifikaciju laserskih sistema i komponenti kako bi se ispunili zahtevi aplikacije.
Osnovni parametri
Sljedeći osnovni parametri su najosnovniji koncepti laserskog sistema i bitni su za razumijevanje naprednijih tačaka.
1: talasna dužina (tipične jedinice: nm do µm)
Talasna dužina lasera opisuje prostornu frekvenciju emitiranog svjetlosnog talasa. Optimalna talasna dužina za dati slučaj upotrebe u velikoj meri zavisi od primene. U obradi materijala, različiti materijali imaju jedinstvena svojstva apsorpcije zavisna od talasne dužine koja rezultiraju različitim interakcijama sa materijalom. Slično, u daljinskom senzoru, atmosferska apsorpcija i smetnje mogu različito utjecati na određene valne dužine, a u medicinskim laserskim aplikacijama različiti kompleksi mogu različito apsorbirati određene valne dužine. Laseri kraće talasne dužine i laserska optika pomažu u stvaranju malih, preciznih karakteristika sa minimalnim perifernim grejanjem jer je fokusna tačka manja. Međutim, oni su obično skuplji i lakše se oštete od lasera dužine talasne dužine.
2: Snaga i energija (tipične jedinice: W ili J)
Snaga lasera se mjeri u vatima (W) i koristi se za opisivanje izlazne optičke snage kontinuiranog talasnog (CW) lasera ili prosječne snage impulsnog lasera. Impulsne lasere karakterizira i njihova impulsna energija, koja je proporcionalna prosječnoj snazi i obrnuto proporcionalna brzini ponavljanja lasera (slika 2). Energija se mjeri u džulima (J).
Laseri veće snage i energije obično su skuplji i proizvode više otpadne topline. Održavanje visokog kvaliteta zraka također postaje teže s povećanjem snage i energije.
3: Trajanje impulsa (tipične jedinice: fs do ms)
Trajanje laserskog impulsa ili širina impulsa se obično definiše kao puna širina na pola maksimuma (FWHM) snage laserskog svjetla u odnosu na vrijeme (Slika 3). Ultrabrzi laseri nude mnoge prednosti u nizu primjena, uključujući preciznu obradu materijala i medicinske lasere, a karakteriziraju ih kratko trajanje impulsa od oko pikosekundi (10-12 sekundi) do attosekundi (10-18 sekundi).
4: Stopa ponavljanja (tipične jedinice: Hz do MHz)
Brzina ponavljanja ili frekvencija ponavljanja impulsa pulsirajućeg lasera opisuje broj emitovanih impulsa u sekundi ili obrnuti vremenski interval impulsa (slika 3). Kao što je ranije spomenuto, stopa ponavljanja je obrnuto proporcionalna energiji impulsa i direktno proporcionalna prosječnoj snazi. Iako stopa ponavljanja obično zavisi od medija za pojačavanje lasera, može varirati u mnogim slučajevima. Veće stope ponavljanja rezultiraju kraćim vremenom termičke relaksacije na optičkoj površini lasera i na konačnom fokusu, što dovodi do bržeg zagrijavanja materijala.
5: Dužina koherentnosti (tipične jedinice: milimetri do metara)
Laseri su koherentni, što znači da postoji fiksni odnos između faznih vrijednosti električnog polja u različitim vremenima ili lokacijama. To je zato što, za razliku od većine drugih vrsta izvora svjetlosti, laseri se proizvode pobuđenom emisijom. Koherencija se smanjuje tokom procesa transmisije, a dužina koherencije lasera određuje udaljenost na kojoj vremenska koherentnost lasera ostaje na određenom kvalitetu.
6: Polarizacija
Polarizacija određuje smjer električnog polja svjetlosnog vala, koji je uvijek okomit na smjer širenja. U većini slučajeva, laser će biti linearno polariziran, što znači da emitirano električno polje uvijek pokazuje u istom smjeru. Nepolarizovana svjetlost će imati električno polje koje je usmjereno u mnogo različitih smjerova. Polarizacija se obično izražava kao omjer žarišnih daljina svjetlosti u dva ortogonalno polarizirana stanja, na primjer 100:1 ili 500:1.
Parametri zraka
Sljedeći parametri karakteriziraju oblik i kvalitet laserskog snopa.
7: Prečnik grede (tipične jedinice: mm do cm)
Prečnik snopa lasera karakteriše bočno proširenje snopa, ili fizičku dimenziju okomitu na pravac širenja. Obično se definira kao širina 1/e2, tj. širina postignuta intenzitetom snopa pri 1/e2 (≈13,5%). U tački 1/e2, jačina električnog polja pada na 1/e (≈37%). Što je veći prečnik snopa, to je veća optika i ceo sistem kako bi se izbeglo skraćivanje snopa, što povećava cenu. Međutim, smanjenje promjera snopa povećava gustoću snage/energije, što je također štetno.
8: Gustoća snage ili energije (tipične jedinice: W/cm2 do MW/cm2 ili µJ/cm2 do J/cm2)
Prečnik snopa se odnosi na gustinu snage/energije laserskog snopa ili optičku snagu/energiju po jedinici površine. Što je veći prečnik snopa, to je niža gustina snage/energije snopa konstantne snage ili konstantne energije. Na konačnom izlazu sistema (npr. kod laserskog rezanja ili zavarivanja), obično je potrebna velika snaga/energetska gustina, ali unutar sistema, niska koncentracija snage/energije je obično korisna u sprečavanju oštećenja izazvanih laserom. Ovo takođe sprečava jonizaciju vazduha u oblasti velike snage/energetske gustine zraka. Iz ovih razloga, između ostalog, ekspanderi laserskog snopa se često koriste za povećanje prečnika i time smanjenje gustine snage/energije unutar laserskog sistema. Međutim, mora se paziti da se snop ne proširi toliko da snop bude zaklonjen od otvora sistema, što rezultira gubitkom energije i potencijalnim oštećenjima.
9: Profil snopa
Profil snopa lasera opisuje raspoređeni intenzitet u poprečnom presjeku snopa. Uobičajeni profili greda uključuju Gaussove i ravne grede, koje slijede Gaussove i ravne grede, respektivno (slika 4). Međutim, budući da uvijek postoji određeni broj vrućih tačaka ili fluktuacija unutar lasera, nijedan laser ne može proizvesti potpuno Gausov ili potpuno ravni snop koji je točno u skladu s njegovom vlastitom funkcijom. Razlika između stvarnog profila snopa lasera i idealnog profila snopa obično se opisuje metrikom koja sadrži M2 faktor lasera.
10: Divergencija (tipična jedinica: mrad)
Iako se laserski snopovi općenito smatraju kolimiranim, oni uvijek sadrže određenu količinu divergencije, koja opisuje stepen do kojeg se snop divergira na rastućoj udaljenosti od struka laserskog snopa zbog difrakcije. U aplikacijama sa velikim radnim udaljenostima, kao što su LIDAR sistemi, gde objekti mogu biti udaljeni stotinama metara od laserskog sistema, divergencija postaje posebno važno pitanje. Divergencija snopa se obično definiše u smislu pola ugla lasera, a divergencija (θ) Gausovog snopa se definiše kao.
λ je talasna dužina lasera, a w0 je struk lasera.
Konačni sistemski parametri
Ovi konačni parametri opisuju performanse laserskog sistema na izlazu.
11: Veličina tačke (tipična jedinica: µm)
Veličina tačke fokusiranog laserskog snopa opisuje prečnik zraka u fokusnoj tački sistema sočiva za fokusiranje. U mnogim primjenama, kao što su obrada materijala i medicinska kirurgija, cilj je minimizirati veličinu mjesta. Ovo maksimizira gustinu snage i omogućava stvaranje izuzetno finih karakteristika (slika 5). Asferična sočiva se često koriste umjesto konvencionalnih sfernih sočiva kako bi se minimizirala sferna aberacija i proizvele manje veličine žarišne točke. Neki tipovi laserskih sistema na kraju ne fokusiraju laser na tačku, u kom slučaju ovaj parametar nije primjenjiv.
12: Radna udaljenost (tipična jedinica: µm do m)
Radna udaljenost laserskog sistema općenito se definira kao fizička udaljenost od konačnog optičkog elementa (obično sočiva za fokusiranje) do objekta ili površine na koju je laser fokusiran. Neke aplikacije, kao što su medicinski laseri, često nastoje da minimiziraju radnu udaljenost, dok druge aplikacije, kao što je daljinsko ispitivanje, često imaju za cilj maksimiziranje opsega svoje radne udaljenosti.
