Βασικές Παράμετροι Συστημάτων Λέιζερ στη Σήμανση με Λέιζερ

Σε διάφορες εφαρμογές όπως η επεξεργασία υλικού, η χειρουργική με λέιζερ, η τηλεπισκόπηση και κυρίωςσήμανση λέιζερ, υπάρχει μια ποικιλία κοινών συστημάτων λέιζερ. Πολλά από αυτά τα συστήματα λέιζερ μοιράζονται βασικές παραμέτρους. Η καθιέρωση καθολικών όρων για αυτές τις παραμέτρους μπορεί να αποτρέψει παραπλανητικές δηλώσεις και κατανοώντας αυτούς τους όρους, μπορείτε να καθορίσετε σωστά τα συστήματα και τα στοιχεία λέιζερ για να ανταποκρίνονται στις ανάγκες της εφαρμογής σας.

ΝΟ.1 Μήκος κύματος: Το μήκος κύματος του λέιζερ είναι μια θεμελιώδης παράμετρος που περιγράφει τη χωρική συχνότητα του εκπεμπόμενου κύματος φωτός. Τα λέιζερ διαφορετικών μηκών κύματος παίζουν ρόλους σε διαφορετικές εφαρμογές. Στην επεξεργασία υλικών, διαφορετικά υλικά έχουν διαφορετικά χαρακτηριστικά απορρόφησης για διαφορετικά μήκη κύματος, επομένως η αλληλεπίδραση με το υλικό είναι επίσης διαφορετική. Τα λέιζερ μικρότερου μήκους κύματος και τα οπτικά λέιζερ έχουν πλεονεκτήματα στη δημιουργία μικρών και ακριβών χαρακτηριστικών, με λιγότερη περιφερειακή θέρμανση. Ωστόσο, αυτές οι συσκευές είναι συνήθως πιο ακριβές και πιο εύθραυστες σε σύγκριση με λέιζερ με μεγαλύτερα μήκη κύματος.

ΝΟ.2 Ισχύς: Η ισχύς λέιζερ συνήθως μετριέται σε watt (W), που χρησιμοποιείται για να περιγράψει την οπτική ισχύ εξόδου των λέιζερ συνεχών κυμάτων (CW) ή τη μέση ισχύ των παλμικών λέιζερ. Το χαρακτηριστικό των παλμικών λέιζερ είναι ότι η ενέργεια του παλμού τους είναι ευθέως ανάλογη με τη μέση ισχύ και αντιστρόφως ανάλογη με το ρυθμό επανάληψης. Η μονάδα ενέργειας είναι τζάουλ (J). Επομένως, η ενέργεια του παλμού μπορεί να υπολογιστεί διαιρώντας τη μέση ισχύ με τον ρυθμό επανάληψης.

ΝΟ.3 Διάρκεια παλμού:Η διάρκεια παλμού ή το πλάτος παλμού ενός λέιζερ ορίζεται συνήθως ως ο χρόνος που χρειάζεται για να φτάσει το λέιζερ το μισό (FWHM) της μέγιστης οπτικής του ισχύος. Τα υπεργρήγορα λέιζερ χαρακτηρίζονται από μικρές διάρκειες παλμών, που κυμαίνονται από picoseconds (10-12 δευτερόλεπτα) έως attoseconds (10-18 δευτερόλεπτα).

ΝΟ.4 Ρυθμός επανάληψης:Ο ρυθμός επανάληψης ενός παλμικού λέιζερ περιγράφει τον αριθμό των παλμών που εκπέμπονται ανά δευτερόλεπτο, ο οποίος είναι το αντίστροφο του χρονικού διαστήματος μεταξύ των παλμών. Σε αντίθεση με ό,τι αναφέρθηκε προηγουμένως, ο ρυθμός επανάληψης είναι αντιστρόφως ανάλογος με την ενέργεια του παλμού και ευθέως ανάλογος με τη μέση ισχύ. Ένας υψηλότερος ρυθμός επανάληψης σημαίνει ότι ο χρόνος θερμικής χαλάρωσης της επιφάνειας του οπτικού στοιχείου λέιζερ και του τελικού εστιασμένου σημείου είναι μικρότερος, επομένως ο ρυθμός θέρμανσης του υλικού είναι ταχύτερος.

ΑΡ.5 Μήκος συνοχής:Τα λέιζερ έχουν συνοχή, που σημαίνει ότι υπάρχει μια σταθερή σχέση μεταξύ των τιμών φάσης του ηλεκτρικού πεδίου σε διαφορετικούς χρόνους ή θέσεις. Αυτό το χαρακτηριστικό πηγάζει από το γεγονός ότι τα λέιζερ παράγονται με διεγερμένη εκπομπή, η οποία είναι διαφορετική από τους περισσότερους άλλους τύπους πηγών φωτός. Αν και η συνοχή του λέιζερ θα εξασθενίσει σταδιακά κατά τη διάδοση, το μήκος συνοχής του λέιζερ καθορίζει την απόσταση στην οποία η χρονική συνοχή του παραμένει σε ένα ορισμένο επίπεδο.

ΑΡ.6 Πόλωση:Η πόλωση ορίζει την κατεύθυνση του ηλεκτρικού πεδίου του φωτεινού κύματος, η οποία είναι πάντα κάθετη προς την κατεύθυνση διάδοσης. Στις περισσότερες περιπτώσεις, το λέιζερ είναι γραμμικά πολωμένο, δηλαδή το εκπεμπόμενο ηλεκτρικό πεδίο δείχνει πάντα προς την ίδια κατεύθυνση. Αντίθετα, το μη πολωμένο φως θα παράγει ηλεκτρικά πεδία που δείχνουν προς πολλές διαφορετικές κατευθύνσεις. Η πόλωση εκφράζεται συνήθως ως ο λόγος της φωτεινής ισχύος μεταξύ δύο ορθογώνιων καταστάσεων πόλωσης, όπως 100:1 ή 500:1.

ΝΟ.7 Διάμετρος δοκού: Η διάμετρος της δέσμης του λέιζερ περιγράφει την πλευρική επέκταση της δέσμης, δηλαδή το φυσικό μέγεθος κάθετο προς την κατεύθυνση διάδοσης. Συνήθως, η διάμετρος της δέσμης ορίζεται στο πλάτος 1/e², δηλαδή στο σημείο όπου η ένταση της δέσμης φτάνει το 1/e² (περίπου 13,5%) της μέγιστης τιμής. Σε αυτό το σημείο, η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου πέφτει στο 1/e (περίπου 37%) της μέγιστης τιμής. Όσο μεγαλύτερη είναι η διάμετρος της δέσμης, τόσο μεγαλύτερα είναι τα οπτικά εξαρτήματα και ολόκληρο το σύστημα που απαιτείται για να αποφευχθεί το ψαλίδισμα της δέσμης, με αποτέλεσμα αυξημένο κόστος. Ωστόσο, η μείωση της διαμέτρου της δέσμης θα αυξήσει την πυκνότητα ισχύος/ενέργειας, η οποία θα έχει επίσης δυσμενείς επιπτώσεις.

ΝΟ.8 Ισχύς ή Ενεργειακή Πυκνότητα: Η ισχύς ή η ενεργειακή πυκνότητα αναφέρεται στην ισχύ ή την ενέργεια της δέσμης ανά μονάδα επιφάνειας. Η διάμετρος της δέσμης σχετίζεται στενά με την πυκνότητα ισχύος/ενέργειας. Όταν η ισχύς ή η ενέργεια της δέσμης παραμένει σταθερή, όσο μεγαλύτερη είναι η διάμετρος της δέσμης, τόσο μικρότερη είναι η πυκνότητα ισχύος/ενέργειας. Γενικά, τα λέιζερ με υψηλή πυκνότητα ισχύος/ενέργειας είναι η ιδανική τελική έξοδος του συστήματος, όπως σε εφαρμογές κοπής με λέιζερ ή συγκόλλησης με λέιζερ. Ωστόσο, τα λέιζερ με χαμηλή πυκνότητα ισχύος/ενέργειας είναι ωφέλιμα για το σύστημα εσωτερικά, μπορούν να μειώσουν τη ζημιά που προκαλούνται από τα λέιζερ και να αποτρέψουν την περιοχή υψηλής ισχύος/υψηλής ενεργειακής πυκνότητας της δέσμης από τον ιονισμό του αέρα.

ΝΟ.9 Προφίλ δοκού: Το προφίλ δοκού περιγράφει την ένταση κατανομής της δοκού στη διατομή. Τα κοινά προφίλ δοκών περιλαμβάνουν δοκούς Gaussian και δοκούς επίπεδης κορυφής, και τα προφίλ δοκών τους ακολουθούν τις λειτουργίες Gaussian και επίπεδης κορυφής, αντίστοιχα. Ωστόσο, επειδή υπάρχει πάντα ένας συγκεκριμένος αριθμός καυτών σημείων ή ταλαντώσεων μέσα στο λέιζερ, κανένα λέιζερ δεν μπορεί να παράγει μια τέλεια ακτίνα Gauss ή μια τέλεια δέσμη επίπεδης κορυφής που ταιριάζει απόλυτα με το ιδανικό προφίλ δέσμης. Η διαφορά μεταξύ του πραγματικού προφίλ δέσμης του λέιζερ και του ιδανικού προφίλ δέσμης περιγράφεται συνήθως από πολλαπλούς δείκτες μέτρησης (συμπεριλαμβανομένου του παράγοντα M² του λέιζερ).

ΑΡ.10 Απόκλιση:Αν και οι άνθρωποι συνήθως πιστεύουν ότι η δέσμη λέιζερ είναι ευθυγραμμισμένο φως, στην πραγματικότητα, η δέσμη λέιζερ θα έχει πάντα έναν ορισμένο βαθμό απόκλισης. Η απόκλιση περιγράφει τον βαθμό διάχυσης της δέσμης σε σχέση με τη μέση της δέσμης μετά από διάδοση σε μεγάλες αποστάσεις λόγω περίθλασης. Σε εφαρμογές με μεγάλες αποστάσεις εργασίας, όπως τα συστήματα ραντάρ λέιζερ, όπου ο στόχος και το σύστημα λέιζερ μπορεί να απέχουν εκατοντάδες μέτρα μεταξύ τους, η απόκλιση γίνεται ιδιαίτερα σημαντικό ζήτημα. Η απόκλιση της δέσμης ορίζεται συνήθως από τη μισή γωνία του λέιζερ και η γωνία απόκλισης (θ) της δέσμης Gauss ορίζεται ως λ είναι το μήκος κύματος λέιζερ και w0 είναι η μέση της δέσμης λέιζερ.

ΝΟ.11 Μέγεθος Κηλίδας: Το μέγεθος κηλίδας περιγράφει τη διάμετρο κηλίδας της εστιασμένης δέσμης λέιζερ, που βρίσκεται στην εστία του συστήματος φακών εστίασης. Σε πολλές εφαρμογές, όπως η επεξεργασία υλικού και η ιατρική χειρουργική, στόχος μας είναι να ελαχιστοποιήσουμε το μέγεθος της κηλίδας. Αυτό μπορεί να μεγιστοποιήσει την πυκνότητα ισχύος και να δημιουργήσει ιδιαίτερα ωραία χαρακτηριστικά. Οι ασφαιρικοί φακοί χρησιμοποιούνται συχνά για να αντικαταστήσουν τους παραδοσιακούς σφαιρικούς φακούς για τη μείωση των σφαιρικών εκτροπών και τη μείωση του μεγέθους των κηλίδων. Σε ορισμένους τύπους συστημάτων λέιζερ, το λέιζερ δεν θα εστιάσει τελικά το λέιζερ σε ένα σημείο, επομένως σε αυτήν την περίπτωση, αυτή η παράμετρος δεν ισχύει.

ΝΟ.12 Απόσταση Εργασίας:Η απόσταση εργασίας του συστήματος λέιζερ ορίζεται συνήθως ως η φυσική απόσταση από το τελικό οπτικό στοιχείο (συνήθως ο φακός εστίασης) μέχρι το αντικείμενο ή την επιφάνεια όπου εστιάζεται το λέιζερ. Ορισμένες εφαρμογές (όπως τα ιατρικά λέιζερ) συνήθως προσπαθούν να συντομεύσουν την απόσταση εργασίας, ενώ άλλες εφαρμογές (όπως η τηλεπισκόπηση) συνήθως προσπαθούν να επεκτείνουν το εύρος της απόστασης εργασίας.