Det finns ett brett utbud av vanliga lasersystem som används i en mängd olika applikationer som materialbearbetning, laserkirurgi och fjärranalys, men många lasersystem har gemensamma nyckelparametrar. Att etablera en gemensam terminologi för dessa parametrar förhindrar kommunikationsfel, och genom att förstå dem kan lasersystemet och komponenterna specificeras korrekt för att uppfylla applikationskraven.
Figur 1: Schematiskt diagram över ett vanligt lasermaterialbearbetningssystem, där var och en av de 10 nyckelparametrarna i lasersystemet representeras av ett motsvarande nummer
Grundläggande parametrar
Följande grundparametrar är de mest grundläggande koncepten för lasersystem och är också avgörande för att förstå mer avancerade punkter
1: Våglängd (typiska enheter: nm till um)
Våglängden för en laser beskriver den spatiala frekvensen för den emitterade ljusvågen. Den optimala våglängden för ett givet användningsfall är starkt applikationsberoende. 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 är fördelaktiga för att skapa små och exakta funktioner med minimal perifer uppvärmning eftersom brännpunkten är mindre. De är dock i allmänhet dyrare och mer känsliga för skador än lasrar med längre våglängder.
2: Effekt och energi (typiska enheter: W eller J)
Effekten hos en laser mäts i watt (W) och används för att beskriva den optiska uteffekten från 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 repetitionsfrekvens (Figur 2). Energi mäts i Joule (J).
Figur 2: Visuell representation av förhållandet mellan pulsenergi, repetitionsfrekvens och medeleffekt för en pulsad laser
Lasrar med högre effekt och energi är i allmänhet dyrare och genererar mer spillvärme. Att upprätthålla hög strålkvalitet blir också allt svårare när kraften och energin ökar.
3: Pulslängd (typiska enheter: fs till ms)
Laserpulslängd eller pulsbredd definieras vanligtvis som den fulla bredden vid halva maximum (FWHM) av laserns optiska effekt kontra tid (Figur 3). Ultrasnabba lasrar erbjuder många fördelar i en rad applikationer inklusive precisionsmaterialbearbetning och medicinska lasrar. De kännetecknas av korta pulslängder i storleksordningen pikosekunder (10-12 sekunder) till attosekunder (10-18 och mindre
P(W)
1/Repetitionsfrekvens
Köp tid(er) för offentligt konto
Figur 3: Pulserna hos en pulsad laser separeras i tid med inversen av 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 i allmänhet är beroende av laserförstärkningsmediet, kan den variera i många fall. Högre upprepningshastigheter resulterar i kortare termiska relaxationstider vid ytan av laseroptiken och vid slutfokus, vilket resulterar i snabbare materialuppvärmning.
5: Koherenslängd (typiska enheter: millimeter till meter)
Lasern är koherent, vilket innebär att elektriska strömmar vid olika tidpunkter eller platser är koherenta. Det finns ett fast förhållande mellan fältfasvärdena. Detta beror på att lasrar, till skillnad från de flesta andra typer av ljuskällor, produceras av stimulerad emission. Koherenslängden definierar ett avstånd över vilket den tidsmässiga koherensen av laserljuset förblir konstant under hela laserljusets utbredning, utan försämring under processen.
6: Polarisering
Polarisering definierar riktningen för ljusvågens elektriska fält, "det är alltid vinkelrät mot utbredningsriktningen. I de flesta fall kommer laserljus att vara linjärt polariserat, vilket innebär att det emitterade elektriska fältet alltid pekar i samma riktning. Opolariserat ljus kommer att ha ett elektriskt fält som pekar i många olika riktningar. Graden av polarisering uttrycks vanligtvis som förhållandet mellan den optiska styrkan för två ortogonala polarisationstillstånd, såsom 100:1 eller 500:1.
Strålparametrar
Följande parametrar kännetecknar laserstrålens form och kvalitet.
7: Stråldiameter (typiska enheter: mm till cm)
Stråldiametern hos en laser karakteriserar strålens laterala förlängning, eller dess fysiska storlek vinkelrätt mot utbredningsriktningen. Det definieras vanligtvis som 1/e2-bredden, vilket är bredden på strålens intensitet upp till 1/e2 (=13,5%). Vid 1/e2-punkten sjunker det elektriska fältets intensitet till 1/e (=37%). Ju större stråldiametern är, desto större måste optiken och hela systemet vara för att undvika strålstympning, 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 MWicm2 eller uJ/cm2 till J/cm2)
Stråldiametern är relaterad till laserstrålens effekt/energitäthet. Energitäthet, eller mängden optisk effekt/energi per ytenhet. Ju större stråldiametern är, desto lägre effekt/energitäthet har strålen för en konstant effekt eller energi. Hög effekt/energitäthet är ofta önskvärt vid systemets slutliga uteffekt (till exempel vid laserskärning eller svetsning), men låga effekt/energikoncentrationer är ofta fördelaktiga inuti systemet för att förhindra laserinducerad skada. Detta förhindrar också strålens områden med hög effekt/energitäthet från att jonisera luften. Bland annat av dessa skäl används ofta laserstråleexpanderar för att öka diametern och därmed minska effekt/energitätheten inuti lasersystemet. Man måste dock se till att inte expandera strålen för mycket så att den blockeras från öppningar i systemet, vilket leder till slöseri med energi och potentiell skada.
9: Strålprofil
Strålprofilen för en laser beskriver den fördelade intensiteten över strålens tvärsnitt. Vanliga balkprofiler inkluderar gaussiska balkar och flattop-balkar, vars balkprofiler följer Gauss-funktionen respektive flat-top-funktionen (Figur 4). Ingen laser kan dock producera en helt Gaussisk eller helt platt stråle med en strålprofil som exakt matchar dess karakteristiska funktion, eftersom det alltid finns en viss mängd hot spots eller fluktuationer inuti lasern. Skillnaden mellan den faktiska strålprofilen för en laser och den ideala strålprofilen beskrivs ofta av mätvärden inklusive laserns M2-faktor
Gaussiska och platta toppbalksprofiler
Figur 4: Jämförelse av strålprofilerna för en gaussisk stråle och en platt toppstråle med lika medeleffekt eller intensitet visar att toppintensiteten för den Gaussiska strålen är dubbelt så stor som den platta toppstrålen
10: Divergens (typiska enheter: mrad)
Medan laserstrålar ofta anses vara kollimerade innehåller de alltid en viss divergens, vilket beskriver i vilken grad strålen divergerar på ökande avstånd från laserns strålmidja på grund av diffraktion. I tillämpningar för långa arbetsavstånd, såsom LiDAR-system, där föremål kan vara hundratals meter bort från lasersystemet, blir divergens en särskilt viktig fråga. Stråldivergens definieras ofta av laserns halva vinkel, och divergensen för en Gaussstråle (0) definieras som:
W är laserns våglängd och w0 är strålens midja
Slutliga systemparametrar
Dessa slutliga parametrar beskriver lasersystemets prestanda vid utgången
11: Punktstorlek (typiska enheter: um)
Punktstorleken för en fokuserad laserstråle beskriver strålens diameter i fokus för fokuseringslinssystemet. I många applikationer som materialbearbetning och medicinsk kirurgi är målet att minimera fläckstorleken. Detta maximerar effekttätheten och tillåter skapandet av särskilt fina funktioner (Figur 5). Asfäriska linser används ofta istället för traditionella sfäriska linser för att minska sfäriska aberrationer och producera mindre brännpunktsstorlekar. Vissa typer av lasersystem fokuserar i slutändan inte lasern till en punkt, i vilket fall denna parameter inte gäller.
Figur 5: Lasermikrobearbetningsexperiment vid det italienska tekniska institutet visar en 10-faldig ökning av ablationseffektiviteten i ett nanosekundlaserborrningssystem när punktstorleken reduceras från 220um till 9um vid en konstant flödeshastighet
12: Arbetsavstånd (typiska enheter: um till m)
Arbetsavståndet för ett lasersystem definieras vanligtvis som det fysiska avståndet från det slutliga optiska elementet (vanligtvis en fokuseringslins) till objektet eller ytan som lasern är fokuserad på. Vissa applikationer, såsom medicinska lasrar, strävar vanligtvis efter att minimera arbetsavståndet, medan andra, såsom fjärranalys, vanligtvis strävar efter att maximera sitt arbetsavståndsintervall.
