Yra daug įvairių lazerinių sistemų, skirtų įvairioms reikmėms, įskaitant medžiagų apdorojimą, lazerinę chirurgiją ir nuotolinį stebėjimą, tačiau daugelis lazerinių sistemų turi bendrų pagrindinių parametrų. Nustačius bendrą šių parametrų terminiją išvengiama nesusikalbėjimo, o jų supratimas leidžia tinkamai specifikuoti lazerines sistemas ir komponentus, kad 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 lazerinės sistemos sąvokos ir yra būtini norint suprasti sudėtingesnius dalykus.
1: bangos ilgis (tipiniai vienetai: nuo nm iki µm)
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 bangos ilgius nuotolinio stebėjimo metu, o įvairūs kompleksai skirtingai sugers tam tikrus bangos ilgius medicinos lazeriuose. Trumpesnio bangos ilgio lazeriai ir lazerinė optika palengvina mažų, tikslių savybių kūrimą su minimaliu periferiniu šildymu, nes židinio taškas yra mažesnis. Tačiau jie paprastai yra brangesni ir lengviau pažeidžiami nei ilgesnės bangos lazeriai.
2: galia ir energija (tipiniai 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 gamina daugiau atliekinės šilumos. Didėjant galiai ir energijai, išlaikyti tolimosios šviesos kokybę tampa vis sunkiau.
3: impulso trukmė (įprasti vienetai: nuo fs iki ms)
Lazerio impulso trukmė arba impulso plotis paprastai apibrėžiami kaip visas plotis esant pusei didžiausios (FWHM) lazerio šviesos galios ir laiko atžvilgiu (3 pav.). Itin greiti lazeriai suteikia daug privalumų įvairiose srityse, įskaitant precizinį medžiagų apdorojimą ir medicininius lazerius, ir jiems būdinga trumpa impulsų trukmė nuo pikosekundžių (10-12 sekundės) iki atosekundžių (10-18 sekundės).
3 pav. Impulsiniai lazerio impulsai, atskirti laiku pagal pasikartojimo dažnio grįžtamąją vertę
4: pasikartojimo dažnis (įprasti vienetai: nuo Hz iki MHz)
Impulsinio lazerio pasikartojimo dažnis arba impulsų pasikartojimo dažnis apibūdina per sekundę išspinduliuojamų 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 fokusavimo taške, todėl medžiaga greičiau įkaista.
5: nuoseklumo ilgis (tipiniai vienetai: milimetrai iki metrai)
Lazeriai yra koherentiniai, o tai reiškia, kad yra fiksuotas ryšys tarp elektrinio lauko fazių verčių skirtingu laiku arba skirtingose vietose. Taip yra todėl, kad skirtingai nuo daugelio kitų šviesos šaltinių tipų, lazeriai gaminami sužadintos spinduliuotės būdu. Viso sklidimo proceso metu koherentiškumas mažėja, o lazerio koherentiškumo ilgis apibrėžia atstumą, per kurį išlaikoma tam tikra lazerio koherencija.
6: Poliarizacija
Poliarizacija apibrėžia šviesos bangos elektrinio lauko kryptį, kuri visada yra statmena sklidimo krypčiai. Daugeliu atvejų lazeris bus tiesiškai poliarizuotas, o tai reiškia, kad skleidžiamas elektrinis laukas visada nukreiptas ta pačia kryptimi. Nepoliarizuota šviesa turės elektrinį lauką, kuris nukreiptas įvairiomis kryptimis. Poliarizacijos laipsnis paprastai išreiškiamas kaip šviesos židinio nuotolių santykis dviejose statmenai poliarizuotose būsenose, pvz., 100:1 arba 500:1.
Sijos parametrai
Šie parametrai apibūdina lazerio spindulio formą ir kokybę.
7: sijos skersmuo (įprasti vienetai: nuo mm iki cm)
Lazerio pluošto skersmuo apibūdina pluošto šoninį išplėtimą arba jo fizinį matmenį, statmeną sklidimo krypčiai. Paprastai jis apibrėžiamas kaip 1/e2 plotis, kurį pasiekia spindulio intensyvumas esant 1/e2 (≈ 13,5%). 1/e2 taške elektrinio lauko stipris sumažėja iki 1/e (≈ 37%). Kuo didesnis spindulio skersmuo, tuo didesnė turi būti optika ir visa sistema, kad būtų išvengta spindulio sutrumpinimo, o tai padidina išlaidas. Tačiau sumažinus pluošto skersmenį, padidėja galios / energijos tankis, o tai taip pat gali būti žalinga.
8: galia arba energijos tankis (tipiniai vienetai: W/cm2 iki MW/cm2 arba µJ/cm2 iki J/cm2)
Spindulio skersmuo yra susijęs su lazerio spindulio galia / energijos tankiu arba optine galia / energija ploto vienetui. Kuo didesnis pluošto skersmuo, tuo mažesnis pastovios galios ar energijos pluošto galios / energijos tankis. Galutinėje sistemos išvestyje (pvz., pjovimo lazeriu ar suvirinimo metu) dažnai pageidautinas didelis galios / energijos tankis, tačiau sistemoje maža galios / energijos koncentracija dažnai yra naudinga siekiant išvengti lazerio sukeltos žalos. Tai taip pat apsaugo nuo oro jonizacijos didelės galios / energijos tankio spindulio srityje. 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 neišplėstų tiek, kad spindulys būtų uždengtas sistemos angomis, o tai gali sukelti energijos švaistymą ir galimą žalą.
9: sijos profilis
Lazerio spindulio profilis apibūdina pasiskirstytą intensyvumą pluošto skerspjūvyje. Įprasti sijų profiliai apima Gauso ir plokščio viršaus sijas, kurių sijos profiliai atitinka atitinkamai Gauso ir plokščio viršaus funkcijas (4 pav.). Tačiau joks lazeris negali sukurti visiškai Gauso arba visiškai plokščio viršutinio pluošto, kurio pluošto profilis tiksliai atitinka jo savąją funkciją, nes lazerio viduje visada yra tam tikras karštųjų taškų arba svyravimų skaičius. Skirtumas tarp tikrojo lazerio pluošto profilio ir idealaus pluošto profilio paprastai apibūdinamas metrika, apimančia lazerio M2 koeficientą.
4 pav. Gauso pluošto, kurio vidutinė galia arba intensyvumas yra vienodas, ir plokščio viršaus pluošto pluošto profilio palyginimas rodo, kad Gauso pluošto didžiausias intensyvumas yra du kartus didesnis už plokščiojo pluošto.
10: Divergencija (tipiniai vienetai: mrad)
Nors lazerio spinduliai dažniausiai laikomi kolimuotais, juose visada yra tam tikras divergencijos lygis, nusakomas pluošto išsiskyrimo laipsnį didėjant atstumui nuo lazerio spindulio juosmens dėl difrakcijos. Programose su dideliais veikimo atstumais, pvz., LIDAR sistemose, kuriose objektai gali būti nutolę šimtus metrų nuo lazerinės sistemos, skirtumai tampa ypač svarbia problema. Spindulio divergencija paprastai apibrėžiama lazerio pusės kampu, o Gauso pluošto divergencija (θ) apibrėžiama taip:
Paveikslėlis.
λ yra lazerio bangos ilgis, o w{0}} yra lazerio spindulio juosta.
Galutiniai sistemos parametrai
Šie galutiniai parametrai apibūdina lazerinės sistemos veikimą išėjimo metu.
11: dėmės dydis (įprastas vienetas: µm)
Fokusuoto lazerio spindulio taško dydis apibūdina spindulio skersmenį fokusuojančių lęšių sistemos židinio taške. Daugelyje programų, pvz., medžiagų apdorojimo ir medicininės chirurgijos, tikslas yra sumažinti dėmės dydį. Tai padidina galios tankį ir leidžia sukurti išskirtinai puikias savybes. Asferiniai lęšiai dažnai naudojami vietoj tradicinių sferinių lęšių, siekiant sumažinti sferinę aberaciją ir sukurti mažesnius židinio taško dydžius. Kai kurių tipų lazerinės sistemos galiausiai nesufokusuoja lazerio į tašką, tokiu atveju šis parametras netaikomas.
12: Darbinis atstumas (įprasti vienetai: nuo µm iki m)
Lazerinės sistemos darbinis 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 kitos programos, tokios kaip nuotolinis stebėjimas, paprastai siekia maksimaliai padidinti savo darbo atstumo diapazoną.
