Det finns ett brett utbud av generella lasersystem för olika applikationer som materialbearbetning, laserkirurgi och fjärranalys, men många lasersystem delar gemensamma nyckelparametrar. Att etablera en gemensam terminologi för dessa parametrar förhindrar missförstånd, och att förstå dem möjliggör korrekt specifikation av lasersystem och komponenter för att möta applikationskrav.
Grundläggande parametrar
Följande grundparametrar är de mest grundläggande begreppen i ett lasersystem och är väsentliga för att förstå de mer avancerade punkterna.
1: Våglängd (typiska enheter: nm till µm)
Våglängden för en laser beskriver den spatiala frekvensen för den emitterade ljusvågen. Den optimala våglängden för ett givet användningsfall är starkt beroende av applikationen. Vid materialbearbetning har olika material unika våglängdsberoende absorptionsegenskaper som resulterar i olika interaktioner med materialet. På liknande sätt, vid fjärranalys, kan atmosfärisk absorption och interferens påverka vissa våglängder på olika sätt, och i medicinska laserapplikationer kan olika komplex absorbera vissa våglängder på olika sätt. Lasrar med kortare våglängd och laseroptik hjälper till att skapa små, exakta funktioner med minimal perifer uppvärmning eftersom brännpunkten är mindre. Men de är vanligtvis dyrare och lättare att skadas 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 för en pulsad laser. Pulsade lasrar kännetecknas också av sin pulsenergi, som är proportionell mot medeleffekten och omvänt proportionell mot laserns repetitionsfrekvens (Figur 2). Energin mäts i joule (J).
Lasrar med högre effekt och energi är vanligtvis dyrare och de producerar mer spillvärme. Att upprätthålla hög strålkvalitet blir också svårare med ökad effekt och energi.
3: Pulslängd (typiska enheter: fs till ms)
Laserpulsens varaktighet eller pulsbredd definieras vanligtvis som den fulla bredden vid halvmaximum (FWHM) av laserljuseffekten mot tiden (Figur 3). Ultrasnabba lasrar erbjuder många fördelar i en rad applikationer, inklusive precisionsmaterialbearbetning och medicinska lasrar, och kännetecknas av korta pulslängder på cirka pikosekunder (10-12 sekunder) till attosekunder (10-18 sekunder).
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 vanligtvis är beroende av laserförstärkningsmediet, kan den variera i många fall. Högre upprepningshastigheter resulterar i kortare termiska relaxationstider vid laserns optiska yta och vid slutfokus, vilket leder till snabbare materialuppvärmning.
5: Koherenslängd (typiska enheter: millimeter till meter)
Lasrar är koherenta, vilket innebär att det finns ett fast förhållande mellan fasvärdena för det elektriska fältet vid olika tidpunkter eller platser. Detta beror på att, till skillnad från de flesta andra typer av ljuskällor, produceras lasrar av exciterad emission. Koherensen minskar under hela överföringsprocessen, och laserns koherenslängd bestämmer det avstånd över vilket laserns tidsmässiga koherens förblir vid en viss kvalitet.
6: Polarisering
Polarisation bestämmer riktningen för det elektriska fältet för en ljusvåg, som alltid är vinkelrät mot utbredningsriktningen. I de flesta fall kommer lasern att vara linjärt polariserad, vilket innebär att det utsända elektriska fältet alltid pekar i samma riktning. Opolariserat ljus kommer att ha ett elektriskt fält som pekar i många olika riktningar. Polarisering uttrycks vanligtvis som förhållandet mellan ljusets brännvidder i två ortogonalt polariserade tillstånd, till exempel 100:1 eller 500:1.
Strålparametrar
Följande parametrar kännetecknar formen och kvaliteten på en laserstråle.
7: Balkdiameter (typiska enheter: mm till cm)
Stråldiametern hos en laser kännetecknar strålens laterala utsträckning, eller den fysiska dimensionen vinkelrätt mot utbredningsriktningen. Den definieras vanligtvis som 1/e2-bredden, dvs den bredd som uppnås av strålintensiteten vid 1/e2 (≈13,5%). Vid 1/e2-punkten sjunker den elektriska fältstyrkan 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 är skadligt.
8: Effekt eller energitäthet (typiska enheter: W/cm2 till MW/cm2 eller µJ/cm2 till J/cm2)
Stråldiametern hänför sig till laserstrålens effekt/energitäthet eller den optiska effekten/energin per ytenhet. Ju större stråldiametern är, desto lägre effekt/energitäthet för strålen med konstant effekt eller konstant energi. Vid den slutliga uteffekten av systemet (t.ex. vid laserskärning eller svetsning) krävs vanligtvis en hög effekt/energitäthet, men inom systemet är en låg effekt/energikoncentration vanligtvis fördelaktig för att förhindra laserinducerad skada. Detta förhindrar också luftjonisering i strålens område med hög effekt/energitäthet. 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 sträcka ut strålen så stor att strålen skyms från systemets öppning, vilket leder till slöseri med energi och potentiell skada.
9: Strålprofil
Strålprofilen för en laser beskriver den fördelade intensiteten i strålens tvärsnitt. Vanliga balkprofiler inkluderar gaussiska och flattop-balkar, som följer Gaussiska respektive flattop-funktioner (Figur 4). Men eftersom det alltid finns ett visst antal hot spots eller fluktuationer inuti lasern, kan ingen laser producera en helt Gaussisk eller helt platt stråle som exakt överensstämmer med dess egenfunktion. Skillnaden mellan den faktiska strålprofilen för en laser och den ideala strålprofilen beskrivs vanligtvis av ett mått som innehåller laserns M2-faktor.
10: Divergens (typisk enhet: mrad)
Även om laserstrålar i allmänhet anses vara kollimerade, innehåller de alltid en viss divergens, vilket beskriver i vilken utsträckning strålen divergerar på ökande avstånd från laserstrålens midja på grund av diffraktion. I applikationer med långa arbetsavstånd, såsom LIDAR-system, där föremål kan vara hundratals meter från lasersystemet, blir divergens en särskilt viktig fråga. Stråldivergens definieras vanligtvis i termer av laserns halva vinkel, och divergensen (θ) för en Gaussstråle definieras som.
λ är laserns våglängd och w0 är laserns midja.
Slutliga systemparametrar
Dessa sista parametrar beskriver lasersystemets prestanda vid utgång.
11: Punktstorlek (typisk enhet: µm)
Punktstorleken för en fokuserad laserstråle beskriver strålens diameter vid fokuseringslinssystemets brännpunkt. I många applikationer, såsom materialbearbetning och medicinsk kirurgi, är målet att minimera fläckstorleken. Detta maximerar effekttätheten och tillåter skapandet av exceptionellt fina funktioner (Figur 5). Asfäriska linser används ofta i stället för konventionella sfäriska linser för att minimera sfäriska aberrationer och producera mindre brännpunktsstorlekar. Vissa typer av lasersystem fokuserar inte i slutändan lasern på platsen, i vilket fall denna parameter inte är tillämplig.
12: Arbetsavstånd (typisk enhet: µm till m)
Arbetsavståndet för ett lasersystem definieras generellt 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 ofta efter att minimera arbetsavståndet, medan andra applikationer, t.ex. fjärranalys, ofta syftar till att maximera sitt arbetsavstånd.
