Υπάρχει ένα ευρύ φάσμα κοινών συστημάτων λέιζερ για ποικίλες εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένης της επεξεργασίας υλικών, της χειρουργικής με λέιζερ και της τηλεπισκόπησης, αλλά πολλά συστήματα λέιζερ μοιράζονται κοινές βασικές παραμέτρους. Η καθιέρωση κοινής ορολογίας για αυτές τις παραμέτρους αποτρέπει την εσφαλμένη επικοινωνία και η κατανόησή τους επιτρέπει τη σωστή προδιαγραφή συστημάτων και εξαρτημάτων λέιζερ για την κάλυψη των απαιτήσεων εφαρμογής.
Εικόνα 1: Σχηματική απεικόνιση ενός κοινού συστήματος επεξεργασίας υλικού λέιζερ, όπου καθεμία από τις 10 βασικές παραμέτρους ενός συστήματος λέιζερ αντιπροσωπεύεται από έναν αντίστοιχο αριθμό
Βασικές Παράμετροι
Οι ακόλουθες βασικές παράμετροι είναι οι πιο θεμελιώδεις έννοιες ενός συστήματος λέιζερ και είναι απαραίτητες για την κατανόηση των πιο προχωρημένων σημείων.
1: Μήκος κύματος (τυπικές μονάδες: nm έως μm)
Το μήκος κύματος ενός λέιζερ περιγράφει τη χωρική συχνότητα του εκπεμπόμενου κύματος φωτός. Το βέλτιστο μήκος κύματος για μια δεδομένη περίπτωση χρήσης εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την εφαρμογή. Διαφορετικά υλικά θα έχουν μοναδικές ιδιότητες απορρόφησης που εξαρτώνται από το μήκος κύματος κατά την επεξεργασία του υλικού, με αποτέλεσμα διαφορετικές αλληλεπιδράσεις με το υλικό. Ομοίως, η ατμοσφαιρική απορρόφηση και παρεμβολή θα επηρεάσει διαφορετικά ορισμένα μήκη κύματος στην τηλεπισκόπηση και διάφορα σύμπλοκα θα απορροφήσουν διαφορετικά μήκη κύματος σε ιατρικές εφαρμογές λέιζερ. Τα λέιζερ μικρότερου μήκους κύματος και τα οπτικά λέιζερ διευκολύνουν τη δημιουργία μικρών, ακριβών χαρακτηριστικών με ελάχιστη περιφερειακή θέρμανση, επειδή το εστιακό σημείο είναι μικρότερο. Ωστόσο, είναι συνήθως πιο ακριβά και καταστρέφονται πιο εύκολα από τα λέιζερ μεγαλύτερου μήκους κύματος.
2: Ισχύς και ενέργεια (τυπικές μονάδες: W ή J)
Η ισχύς ενός λέιζερ μετριέται σε watt (W) και χρησιμοποιείται για τον χαρακτηρισμό της οπτικής ισχύος εξόδου ενός λέιζερ συνεχούς κύματος (CW) ή της μέσης ισχύος ενός παλμικού λέιζερ. Τα παλμικά λέιζερ χαρακτηρίζονται επίσης από την ενέργεια παλμού τους, η οποία είναι ανάλογη με τη μέση ισχύ και αντιστρόφως ανάλογη με το ρυθμό επανάληψης του λέιζερ (Εικόνα 2). Η ενέργεια μετριέται σε τζάουλ (J).
Εικόνα 2: Οπτική αναπαράσταση της σχέσης μεταξύ της ενέργειας παλμού, του ρυθμού επανάληψης και της μέσης ισχύος ενός παλμικού λέιζερ
Τα λέιζερ υψηλότερης ισχύος και ενέργειας είναι συνήθως πιο ακριβά και παράγουν περισσότερη σπατάλη θερμότητας. Η διατήρηση της υψηλής ποιότητας δέσμης σκάλας γίνεται επίσης πιο δύσκολη με την αύξηση της ισχύος και της ενέργειας.
3: Διάρκεια παλμού (τυπικές μονάδες: fs έως ms)
Η διάρκεια ή το πλάτος παλμού λέιζερ ορίζεται συνήθως ως το πλήρες πλάτος στο μισό μέγιστο (FWHM) της ισχύος του φωτός λέιζερ σε σχέση με το χρόνο (Εικόνα 3). Τα υπερταχεία λέιζερ προσφέρουν πολλά πλεονεκτήματα σε μια σειρά εφαρμογών, συμπεριλαμβανομένης της επεξεργασίας υλικών ακριβείας και των ιατρικών λέιζερ, και χαρακτηρίζονται από σύντομες διάρκειες παλμού περίπου picoseconds (10-12 δευτερόλεπτα) έως attoseconds (10-18 δευτερόλεπτα).
Εικόνα 3: Παλμικοί παλμοί λέιζερ που χωρίζονται χρονικά με το αντίστροφο του ρυθμού επανάληψης
4: Ρυθμός επανάληψης (τυπικές μονάδες: Hz έως MHz)
Ο ρυθμός επανάληψης ή η συχνότητα επανάληψης παλμού ενός παλμικού λέιζερ περιγράφει τον αριθμό των παλμών που εκπέμπονται ανά δευτερόλεπτο ή το αντίστροφο χρονικό διάστημα παλμών (Εικόνα 3). Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, ο ρυθμός επανάληψης είναι αντιστρόφως ανάλογος με την ενέργεια του παλμού και ευθέως ανάλογος με τη μέση ισχύ. Ενώ ο ρυθμός επανάληψης εξαρτάται συνήθως από το μέσο κέρδους λέιζερ, μπορεί να ποικίλλει σε πολλές περιπτώσεις. Οι υψηλότεροι ρυθμοί επανάληψης έχουν ως αποτέλεσμα μικρότερους χρόνους θερμικής χαλάρωσης στην επιφάνεια των οπτικών λέιζερ και στο τελικό σημείο εστίασης, γεγονός που οδηγεί σε ταχύτερη θέρμανση του υλικού.
5: Μήκος συνοχής (τυπικές μονάδες: χιλιοστά σε μέτρα)
Τα λέιζερ είναι συνεκτικά, πράγμα που σημαίνει ότι υπάρχει μια σταθερή σχέση μεταξύ των τιμών φάσης του ηλεκτρικού πεδίου σε διαφορετικούς χρόνους ή θέσεις. Αυτό οφείλεται στο ότι σε αντίθεση με τους περισσότερους άλλους τύπους πηγών φωτός, τα λέιζερ παράγονται από διεγερμένη εκπομπή. Η συνοχή υποβαθμίζεται καθ' όλη τη διάρκεια της διαδικασίας διάδοσης και το μήκος συνοχής ενός λέιζερ καθορίζει μια απόσταση στην οποία η χρονική συνοχή του λέιζερ διατηρείται σε μια ορισμένη ποιότητα.
6: Πόλωση
Η πόλωση ορίζει την κατεύθυνση του ηλεκτρικού πεδίου ενός φωτεινού κύματος, η οποία είναι πάντα κάθετη προς την κατεύθυνση διάδοσης. Στις περισσότερες περιπτώσεις, το λέιζερ θα είναι γραμμικά πολωμένο, πράγμα που σημαίνει ότι το εκπεμπόμενο ηλεκτρικό πεδίο δείχνει πάντα προς την ίδια κατεύθυνση. Το μη πολωμένο φως θα έχει ένα ηλεκτρικό πεδίο που δείχνει σε πολλές διαφορετικές κατευθύνσεις. Ο βαθμός πόλωσης εκφράζεται συνήθως ως ο λόγος των εστιακών αποστάσεων του φωτός σε δύο ορθογώνια πολωμένες καταστάσεις, π.χ. 100:1 ή 500:1.
Παράμετροι δέσμης
Οι παρακάτω παράμετροι χαρακτηρίζουν το σχήμα και την ποιότητα μιας δέσμης λέιζερ.
7: Διάμετρος δοκού (τυπικές μονάδες: mm έως cm)
Η διάμετρος της δέσμης ενός λέιζερ χαρακτηρίζει την πλευρική επέκταση της δέσμης ή τη φυσική της διάσταση κάθετη προς την κατεύθυνση διάδοσης. Συνήθως ορίζεται ως το πλάτος 1/e2, το οποίο επιτυγχάνεται από την ένταση της δέσμης στο 1/e2 (≈ 13,5%). Στο σημείο 1/e2, η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου πέφτει στο 1/e (≈ 37%). Όσο μεγαλύτερη είναι η διάμετρος της δέσμης, τόσο μεγαλύτερη είναι η οπτική και ολόκληρο το σύστημα πρέπει να είναι για να αποφευχθεί η περικοπή της δέσμης, η οποία αυξάνει το κόστος. Ωστόσο, μια μείωση στη διάμετρο της δέσμης αυξάνει την πυκνότητα ισχύος/ενέργειας, η οποία μπορεί επίσης να είναι επιζήμια.
8: Ισχύς ή Πυκνότητα Ενέργειας (τυπικές μονάδες: W/cm2 έως MW/cm2 ή μJ/cm2 έως J/cm2)
Η διάμετρος δέσμης σχετίζεται με την πυκνότητα ισχύος/ενέργειας της δέσμης λέιζερ ή την οπτική ισχύ/ενέργεια ανά μονάδα επιφάνειας. Όσο μεγαλύτερη είναι η διάμετρος της δέσμης, τόσο μικρότερη είναι η πυκνότητα ισχύος/ενέργειας μιας δέσμης με σταθερή ισχύ ή ενέργεια. Στην τελική έξοδο του συστήματος (π.χ. σε κοπή ή συγκόλληση με λέιζερ), είναι συχνά επιθυμητή μια υψηλή πυκνότητα ισχύος/ενέργειας, αλλά εντός του συστήματος, μια χαμηλή συγκέντρωση ισχύος/ενέργειας είναι συχνά ωφέλιμη για την αποφυγή ζημιών που προκαλούνται από λέιζερ. Αυτό επίσης αποτρέπει τον ιονισμό του αέρα στην περιοχή υψηλής ισχύος/ενέργειας πυκνότητας της δέσμης. Για αυτούς τους λόγους, μεταξύ άλλων, συχνά χρησιμοποιούνται διαστολείς δέσμης λέιζερ για να αυξήσουν τη διάμετρο και έτσι να μειώσουν την πυκνότητα ισχύος/ενέργειας μέσα στο σύστημα λέιζερ. Ωστόσο, πρέπει να ληφθεί μέριμνα ώστε να μην διαστέλλεται τόσο πολύ η δέσμη ώστε η δέσμη να κρύβεται από τα ανοίγματα του συστήματος, με αποτέλεσμα τη σπατάλη ενέργειας και πιθανή ζημιά.
9: Προφίλ δοκού
Το προφίλ δέσμης ενός λέιζερ περιγράφει την κατανεμημένη ένταση στη διατομή της δέσμης. Τα κοινά προφίλ δοκού περιλαμβάνουν δοκούς Gaussian και επίπεδης κορυφής, των οποίων τα προφίλ δοκών ακολουθούν τις συναρτήσεις Gaussian και επίπεδης κορυφής, αντίστοιχα (Εικόνα 4). Ωστόσο, κανένα λέιζερ δεν μπορεί να παράγει μια εντελώς Gaussian ή εντελώς επίπεδη δέσμη κορυφής με προφίλ δέσμης που ταιριάζει ακριβώς με την ιδιολειτουργία του, επειδή υπάρχει πάντα ένας συγκεκριμένος αριθμός καυτών σημείων ή διακυμάνσεων μέσα στο λέιζερ. Η διαφορά μεταξύ του πραγματικού προφίλ δέσμης ενός λέιζερ και του ιδανικού προφίλ δέσμης περιγράφεται συνήθως από μια μέτρηση που περιλαμβάνει τον παράγοντα M2 του λέιζερ.
Σχήμα 4: Μια σύγκριση του προφίλ δέσμης μιας δέσμης Gauss με την ίδια μέση ισχύ ή ένταση και μια δέσμη επίπεδης κορυφής δείχνει ότι η ένταση κορυφής της δέσμης Gauss είναι διπλάσια από αυτήν της δέσμης επίπεδης κορυφής.
10: Απόκλιση (τυπικές μονάδες: mrad)
Αν και οι ακτίνες λέιζερ θεωρούνται συνήθως ευθυγραμμισμένες, περιέχουν πάντα μια ορισμένη ποσότητα απόκλισης, η οποία περιγράφει τον βαθμό στον οποίο η δέσμη αποκλίνει σε αυξανόμενες αποστάσεις από τη μέση της δέσμης του λέιζερ λόγω της περίθλασης. Σε εφαρμογές με μεγάλες αποστάσεις λειτουργίας, όπως τα συστήματα LIDAR όπου τα αντικείμενα μπορεί να βρίσκονται εκατοντάδες μέτρα μακριά από το σύστημα λέιζερ, η απόκλιση γίνεται ιδιαίτερα σημαντικό ζήτημα. Η απόκλιση δέσμης ορίζεται συνήθως από τη μισή γωνία του λέιζερ και η απόκλιση (θ) μιας δέσμης Gauss ορίζεται ως:
Εικόνα.
λ είναι το μήκος κύματος του λέιζερ και w0 είναι η μέση δέσμης του λέιζερ.
Τελικές παράμετροι συστήματος
Αυτές οι τελικές παράμετροι περιγράφουν την απόδοση του συστήματος λέιζερ στην έξοδο.
11: Μέγεθος κηλίδας (τυπική μονάδα: μm)
Το μέγεθος κηλίδας μιας εστιασμένης δέσμης λέιζερ περιγράφει τη διάμετρο της δέσμης στο εστιακό σημείο του συστήματος φακών εστίασης. Σε πολλές εφαρμογές, όπως η επεξεργασία υλικών και η ιατρική χειρουργική, ο στόχος είναι να ελαχιστοποιηθεί το μέγεθος της κηλίδας. Αυτό μεγιστοποιεί την πυκνότητα ισχύος και επιτρέπει τη δημιουργία εξαιρετικά λεπτών χαρακτηριστικών. Οι ασφαιρικοί φακοί χρησιμοποιούνται συχνά στη θέση των παραδοσιακών σφαιρικών φακών για την ελαχιστοποίηση της σφαιρικής εκτροπής και την παραγωγή μικρότερων μεγεθών εστιακών κηλίδων. Ορισμένοι τύποι συστημάτων λέιζερ δεν εστιάζουν τελικά το λέιζερ στο σημείο, οπότε αυτή η παράμετρος δεν ισχύει.
12: Απόσταση εργασίας (τυπικές μονάδες: μm έως m)
Η απόσταση εργασίας ενός συστήματος λέιζερ ορίζεται συνήθως ως η φυσική απόσταση από το τελικό οπτικό στοιχείο (συνήθως ο φακός εστίασης) μέχρι το αντικείμενο ή την επιφάνεια στην οποία εστιάζει το λέιζερ. Ορισμένες εφαρμογές, όπως τα ιατρικά λέιζερ, συνήθως επιδιώκουν να ελαχιστοποιήσουν την απόσταση εργασίας, ενώ άλλες εφαρμογές, όπως η τηλεπισκόπηση, συνήθως στοχεύουν στη μεγιστοποίηση της απόστασης εργασίας τους.
