Lazerinių sistemų pagrindinių parametrų supratimas

Yra daug įprastų lazerinių sistemų, naudojamų įvairioms reikmėms, pavyzdžiui, medžiagų apdorojimui, lazerinei chirurgijai ir nuotoliniam stebėjimui, tačiau daugelis lazerinių sistemų turi bendrų pagrindinių parametrų. Nustačius bendrą šių parametrų terminologiją, išvengiama ryšio klaidų, o jas suprasdami galima teisingai nurodyti lazerinę sistemą ir komponentus, kad jie atitiktų taikymo reikalavimus.

1 pav. Įprastos lazerinės medžiagų apdorojimo sistemos schema, kurioje kiekvienas iš 10 pagrindinių lazerinės sistemos parametrų yra pavaizduotas atitinkamu skaičiumi

Pagrindiniai parametrai
Šie pagrindiniai parametrai yra pagrindinės lazerinių sistemų sąvokos, taip pat labai svarbūs norint suprasti sudėtingesnius dalykus

1: bangos ilgis (įprasti vienetai: nuo nm iki um)
Lazerio bangos ilgis apibūdina skleidžiamos šviesos bangos erdvinį dažnį. Optimalus bangos ilgis tam tikram naudojimo atvejui labai priklauso nuo taikymo. Skirtingos medžiagos turės unikalias nuo bangos ilgio priklausančias absorbcijos savybes apdorojant medžiagas, todėl sąveika su medžiaga skiriasi. Panašiai atmosferos sugertis ir trukdžiai skirtingai paveiks tam tikrus bangų ilgius nuotolinio stebėjimo metu, o įvairūs kompleksai skirtingai sugers tam tikrus bangos ilgius medicinos lazeriuose. Trumpesnio bangos ilgio lazeriai ir lazerinė optika yra naudingi kuriant mažas ir tikslias funkcijas su minimaliu periferiniu šildymu, nes židinio taškas yra mažesnis. Tačiau jie paprastai yra brangesni ir labiau pažeidžiami nei ilgesnės bangos lazeriai.
2: galia ir energija (įprasti vienetai: W arba J)
Lazerio galia matuojama vatais (W) ir naudojama apibūdinti nuolatinės bangos (CW) lazerio optinę galią arba vidutinę impulsinio lazerio galią. Impulsiniai lazeriai taip pat pasižymi impulsų energija, kuri yra proporcinga vidutinei galiai ir atvirkščiai proporcinga lazerio pasikartojimo dažniui (2 pav.). Energija matuojama džauliais (J).

2 pav. Vizualus impulso energijos, pasikartojimo dažnio ir vidutinės impulsinio lazerio galios ryšio vaizdas

Didesnės galios ir energijos lazeriai paprastai yra brangesni ir generuoja daugiau atliekinės šilumos. Išlaikyti tolimosios šviesos kokybę taip pat tampa vis sunkiau, nes didėja galia ir energija.
3: impulso trukmė (tipiniai vienetai: nuo fs iki ms)
Lazerio impulso trukmė arba impulso plotis paprastai apibrėžiami kaip visas lazerio optinės galios ir laiko plotis esant pusei didžiausios (FWHM) (3 pav.). Itin greiti lazeriai siūlo daug privalumų įvairiose srityse, įskaitant tikslią medžiagų apdorojimą ir medicininius lazerius. Jiems būdinga trumpa impulsų trukmė nuo pikosekundžių (10-12 sekundės) iki attosekundžių (10-18 ir mažiau)
P(W)
1/Pakartojimo dažnis
Pirkite viešosios paskyros laiką (-us)

3 pav. Impulsinio lazerio impulsai yra atskirti laike pagal atvirkštinį pasikartojimo dažnį
4: pasikartojimo dažnis (įprasti vienetai: nuo Hz iki MHz)
Impulsinio lazerio pasikartojimo dažnis arba impulsų pasikartojimo dažnis apibūdina per sekundę skleidžiamų impulsų skaičių arba atvirkštinio laiko impulsų intervalą (3 pav.). Kaip minėta anksčiau, pasikartojimo dažnis yra atvirkščiai proporcingas impulso energijai ir tiesiogiai proporcingas vidutinei galiai. Nors pasikartojimo dažnis paprastai priklauso nuo lazerio stiprinimo terpės, daugeliu atvejų jis gali skirtis. Didesnis pasikartojimo dažnis lemia trumpesnį terminio atsipalaidavimo laiką lazerio optikos paviršiuje ir galutiniame židinyje, todėl medžiaga greičiau įkaista.
 

5: darnos ilgis (tipiniai vienetai: milimetrai į metrai)
Lazeris yra koherentinis, o tai reiškia, kad elektros srovės skirtingu laiku ar skirtingose ​​vietose yra koherentinės. Tarp lauko fazių verčių yra fiksuotas ryšys. Taip yra todėl, kad lazeriai, skirtingai nei dauguma kitų tipų šviesos šaltinių, yra gaminami stimuliuojamos spinduliuotės būdu. Koherencijos ilgis apibrėžia atstumą, per kurį lazerio šviesos laikinoji koherencija išlieka pastovi per visą lazerio šviesos sklidimo laiką, proceso metu nesumažėjus.

6: Poliarizacija
Poliarizacija apibrėžia šviesos bangos elektrinio lauko kryptį, "ji visada yra statmena sklidimo krypčiai. Daugeliu atvejų lazerio šviesa bus tiesiškai poliarizuota, o tai reiškia, kad skleidžiamas elektrinis laukas visada nukreiptas ta pačia kryptimi. Nepoliarizuota šviesa turės elektrinį lauką, nukreiptą į daugybę skirtingų krypčių. Poliarizacijos laipsnis paprastai išreiškiamas kaip dviejų stačiakampių poliarizacijos būsenų optinės galios santykis, pvz., 100:1 arba 500:1.
Sijos parametrai
Lazerio spindulio formą ir kokybę apibūdina šie parametrai.

7: sijos skersmuo (įprasti matavimo vienetai: nuo mm iki cm)
Lazerio pluošto skersmuo apibūdina pluošto šoninį išplėtimą arba jo fizinį dydį, statmeną sklidimo krypčiai. Paprastai jis apibrėžiamas kaip 1/e2 plotis, kuris yra spindulio intensyvumo plotis iki 1/e2 (=13.5%). 1/e2 taške elektrinio lauko intensyvumas sumažėja iki 1/e (=37%). Kuo didesnis pluošto skersmuo, tuo didesnė turi būti optika ir visa sistema, kad būtų išvengta pluošto sutrumpinimo, o tai padidina išlaidas. Tačiau sumažinus pluošto skersmenį, padidėja galios / energijos tankis, o tai taip pat gali būti žalinga.

8: galios arba energijos tankis (įprasti vienetai: W/cm2 iki MWicm2 arba uJ/cm2 iki J/cm2)
Spindulio skersmuo yra susijęs su lazerio spindulio galia / energijos tankiu. Energijos tankis arba optinės galios / energijos kiekis ploto vienete. Kuo didesnis pluošto skersmuo, tuo mažesnis pluošto galios/energijos tankis esant pastoviai galiai arba energijai. Galutinėje sistemos išvestyje (pavyzdžiui, pjovimo lazeriu ar suvirinant) dažnai pageidautinas didelis galios / energijos tankis, tačiau maža galios / energijos koncentracija dažnai yra naudinga sistemos viduje, kad būtų išvengta lazerio sukeltos žalos. Tai taip pat neleidžia didelės galios / energijos tankio spindulio sritims jonizuoti oro. Dėl šių priežasčių, be kita ko, lazerio spindulio plėtikliai dažnai naudojami skersmeniui padidinti ir taip sumažinti galios/energijos tankį lazerio sistemoje. Tačiau reikia pasirūpinti, kad pluoštas per daug neišplėstų, kad jis būtų užblokuotas nuo sistemos angų, o tai gali sukelti energijos švaistymą ir galimą žalą.

9: sijos profilis
Lazerio spindulio profilis apibūdina pasiskirstytą intensyvumą per pluošto skerspjūvį. Įprasti sijų profiliai apima Gauso sijas ir plokščiaviršius sijas, kurių sijų profiliai atitinka atitinkamai Gauso funkciją ir plokščio viršaus funkciją (4 pav.). Tačiau joks lazeris negali sukurti visiškai Gauso arba visiškai plokščio viršaus pluošto, kurio pluošto profilis tiksliai atitinka jam būdingą funkciją, nes lazerio viduje visada yra tam tikras karštųjų taškų arba svyravimų kiekis. Skirtumas tarp tikrojo lazerio spindulio profilio ir idealaus pluošto profilio dažnai apibūdinamas metrika, įskaitant lazerio M2 koeficientą.
Gauso ir plokščios viršutinės sijos profiliai

4 paveikslas: Gauso pluošto ir plokščio viršutinio vienodo vidutinės galios arba intensyvumo sijos profilių palyginimas rodo, kad Gauso pluošto didžiausias intensyvumas yra du kartus didesnis nei plokščio viršutinio pluošto.

10: Divergencija (tipiniai vienetai: mrad)
Nors lazerio spinduliai dažnai laikomi kolimuotais, juose visada yra tam tikras divergencijos lygis, nurodantis, kokiu laipsniu spindulys skiriasi didėjant atstumui nuo lazerio spindulio juosmens dėl difrakcijos. Naudojant didelius darbo atstumus, pvz., LiDAR sistemas, kur objektai gali būti nutolę šimtus metrų nuo lazerinės sistemos, skirtumai tampa ypač svarbia problema. Spindulio divergencija dažnai apibrėžiama lazerio pusės kampu, o Gauso pluošto divergencija (0) apibrėžiama taip:

W yra lazerio bangos ilgis, o w{0}} yra lazerio spindulio juosta
Galutiniai sistemos parametrai
Šie galutiniai parametrai apibūdina lazerinės sistemos veikimą išėjime
11: dėmės dydis (įprasti vienetai: um)
Sufokusuoto lazerio spindulio taško dydis apibūdina spindulio skersmenį fokusuojančių lęšių sistemos židinyje. Daugelyje programų, pvz., medžiagų apdorojimo ir medicininės chirurgijos, tikslas yra sumažinti dėmės dydį. Tai padidina galios tankį ir leidžia sukurti ypač puikias savybes (5 pav.). Asferiniai lęšiai dažnai naudojami vietoj tradicinių sferinių lęšių, siekiant sumažinti sferines aberacijas ir sukurti mažesnius židinio dėmės dydžius. Kai kurių tipų lazerinės sistemos galiausiai nesufokusuoja lazerio į tašką, tokiu atveju šis parametras netaikomas.

5 paveikslas: Italijos technologijos institute atlikti mikroapdirbimo lazeriu eksperimentai rodo, kad nanosekundžių lazerinio gręžimo sistemos abliacijos efektyvumas padidėja 10-kartą, kai dėmės dydis sumažinamas nuo 220 um iki 9 um esant pastoviam srauto greičiui.

12: Darbinis atstumas (įprasti vienetai: nuo um iki m)
Lazerinės sistemos veikimo atstumas paprastai apibrėžiamas kaip fizinis atstumas nuo galutinio optinio elemento (dažniausiai fokusuojančio lęšio) iki objekto arba paviršiaus, į kurį sufokusuojamas lazeris. Tam tikros programos, pvz., medicininiai lazeriai, paprastai siekia sumažinti darbo atstumą, o kiti, pvz., nuotolinis stebėjimas, paprastai siekia maksimaliai padidinti savo darbo atstumo diapazoną.