Izpratne par lāzersistēmu galvenajiem parametriem

Pastāv plašs izplatītu lāzersistēmu klāsts, ko izmanto dažādos lietojumos, piemēram, materiālu apstrādē, lāzerķirurģijā un attālajā uzraudzībā, taču daudzām lāzersistēmām ir kopīgi galvenie parametri. Vienotas terminoloģijas izveide šiem parametriem novērš sakaru kļūdas, un to izpratne ļauj pareizi norādīt lāzera sistēmu un komponentus, lai tie atbilstu lietojumprogrammas prasībām.

1. attēls: izplatītas lāzera materiālu apstrādes sistēmas shematiska diagramma, kur katrs no 10 galvenajiem lāzersistēmas parametriem ir attēlots ar atbilstošu skaitli

Pamatparametri
Tālāk minētie pamatparametri ir visvienkāršākie lāzersistēmu jēdzieni, un tie ir arī būtiski, lai izprastu sarežģītākus punktus

1: viļņa garums (parastās vienības: nm līdz um)
Lāzera viļņa garums raksturo izstarotā gaismas viļņa telpisko frekvenci. Optimālais viļņa garums konkrētajam lietošanas gadījumam ir ļoti atkarīgs no lietojuma. Dažādiem materiāliem būs unikālas no viļņa garuma atkarīgas absorbcijas īpašības materiālu apstrādē, kā rezultātā radīsies atšķirīga mijiedarbība ar materiālu. Tāpat atmosfēras absorbcija un traucējumi atšķirīgi ietekmēs noteiktus viļņu garumus attālās uzrādes gadījumā, un dažādi kompleksi atšķirīgi absorbēs noteiktus viļņu garumus medicīnas lāzeru lietojumos. Īsāka viļņa garuma lāzeri un lāzera optika ir izdevīgi, lai izveidotu mazus un precīzus elementus ar minimālu perifēro apsildi, jo fokusa punkts ir mazāks. Tomēr tie parasti ir dārgāki un vairāk pakļauti bojājumiem nekā lāzeri ar garāku viļņu garumu.
2: jauda un enerģija (parastās mērvienības: W vai J)
Lāzera jaudu mēra vatos (W) un izmanto, lai aprakstītu nepārtraukta viļņa (CW) lāzera optisko jaudu vai impulsa lāzera vidējo jaudu. Impulsu lāzerus raksturo arī to impulsa enerģija, kas ir proporcionāla vidējai jaudai un apgriezti proporcionāla lāzera atkārtošanās ātrumam (2. attēls). Enerģiju mēra džoulos (J).

2. attēls. Vizuāls attēlojums par saistību starp impulsa enerģiju, atkārtošanās ātrumu un impulsa lāzera vidējo jaudu

Lielākas jaudas un enerģijas lāzeri parasti ir dārgāki, un tie rada vairāk siltuma. Arī tālās gaismas kvalitātes uzturēšana kļūst arvien grūtāka, jo palielinās jauda un enerģija.
3: impulsa ilgums (parastās mērvienības: fs līdz ms)
Lāzera impulsa ilgumu vai impulsa platumu parasti definē kā lāzera optiskās jaudas un laika pilnu platumu pie maksimālās puses (FWHM) (3. attēls). Īpaši ātrie lāzeri piedāvā daudzas priekšrocības dažādos lietojumos, tostarp precīzā materiālu apstrādē un medicīniskajos lāzeros. Tiem ir raksturīgs īss impulsa ilgums no pikosekundēm (10-12 sekundēm) līdz attosekundēm (10-18 un mazāk
P(W)
1/Atkārtošanās biežums
Iegādājieties publiskā konta laiku(-us)

3. attēls. Impulsu lāzera impulsi laikā tiek atdalīti ar atkārtošanās biežuma apgriezto vērtību
4: atkārtošanās biežums (parastās vienības: Hz līdz MHz)
Impulsu lāzera atkārtošanās biežums jeb impulsa atkārtošanās biežums raksturo sekundē izstaroto impulsu skaitu vai apgriezto laika impulsa intervālu (3. attēls). Kā minēts iepriekš, atkārtošanās ātrums ir apgriezti proporcionāls impulsa enerģijai un tieši proporcionāls vidējai jaudai. Lai gan atkārtošanās ātrums parasti ir atkarīgs no lāzera pastiprinājuma vides, tas daudzos gadījumos var atšķirties. Lielāks atkārtošanās ātrums nodrošina īsāku termiskās relaksācijas laiku lāzera optikas virsmā un gala fokusā, kā rezultātā materiāls tiek uzkarsēts ātrāk.
 

5: saskaņotības garums (parastās mērvienības: milimetri līdz metri)
Lāzers ir koherents, kas nozīmē, ka elektriskās strāvas dažādos laikos vai vietās ir koherentas. Starp lauka fāzes vērtībām pastāv noteikta saistība. Tas ir tāpēc, ka lāzeri, atšķirībā no vairuma citu gaismas avotu veidu, tiek ražoti ar stimulētu emisiju. Koherences garums nosaka attālumu, kurā lāzera gaismas laika koherence paliek nemainīga visā lāzera gaismas izplatīšanās laikā, bez degradācijas procesa laikā.

6: Polarizācija
Polarizācija nosaka gaismas viļņa elektriskā lauka virzienu, "tā vienmēr ir perpendikulāra izplatīšanās virzienam. Vairumā gadījumu lāzera gaisma būs lineāri polarizēta, kas nozīmē, ka izstarotais elektriskais lauks vienmēr ir vērsts vienā virzienā. Nepolarizēta gaisma būs elektriskais lauks, kas vērsts daudzos dažādos virzienos. Polarizācijas pakāpi parasti izsaka kā divu ortogonālo polarizācijas stāvokļu optiskās jaudas attiecību, piemēram, 100:1 vai 500:1.
Sijas parametri
Lāzera stara formu un kvalitāti raksturo šādi parametri.

7: sijas diametrs (parastās mērvienības: mm līdz cm)
Lāzera stara diametrs raksturo stara sānu pagarinājumu jeb tā fizisko izmēru perpendikulāri izplatīšanās virzienam. To parasti definē kā 1/e2 platumu, kas ir staru kūļa intensitātes platums līdz 1/e2 (=13,5%). Punktā 1/e2 elektriskā lauka intensitāte samazinās līdz 1/e (=37%). Jo lielāks ir staru kūļa diametrs, jo lielākai jābūt optikai un visai sistēmai, lai izvairītos no staru kūļa saīsināšanas, kas palielina izmaksas. Tomēr staru kūļa diametra samazināšanās palielina jaudas/enerģijas blīvumu, kas arī var būt kaitīgs.

8: jauda vai enerģijas blīvums (parastās mērvienības: W/cm2 līdz MWicm2 vai uJ/cm2 līdz J/cm2)
Stara diametrs ir saistīts ar lāzera stara jaudu/enerģijas blīvumu. Enerģijas blīvums vai optiskās jaudas/enerģijas daudzums uz laukuma vienību. Jo lielāks ir staru kūļa diametrs, jo mazāks ir staru kūļa jaudas/enerģijas blīvums nemainīgai jaudai vai enerģijai. Sistēmas gala izvadē bieži ir vēlams augsts jaudas/enerģijas blīvums (piemēram, lāzergriešanai vai metināšanai), taču zema jaudas/enerģijas koncentrācija bieži vien ir izdevīga sistēmā, lai novērstu lāzera izraisītus bojājumus. Tas arī neļauj staru kūļa lieljaudas/enerģijas blīvuma zonām jonizēt gaisu. Šo iemeslu dēļ, cita starpā, lāzera staru paplašinātājus bieži izmanto, lai palielinātu diametru un tādējādi samazinātu jaudas/enerģijas blīvumu lāzera sistēmā. Tomēr ir jāuzmanās, lai staru kūlis pārāk nepaplašinātu, lai tas netiktu bloķēts no sistēmas atverēm, kā rezultātā tiek iztērēta enerģija un iespējami bojājumi.

9: stara profils
Lāzera stara profils raksturo sadalīto intensitāti pa stara šķērsgriezumu. Parastie siju profili ietver Gausa sijas un plakanas sijas, kuru siju profili atbilst attiecīgi Gausa funkcijai un plakanās virsmas funkcijai (4. attēls). Tomēr neviens lāzers nevar radīt pilnīgi Gausa vai pilnīgi plakanu staru kūli ar stara profilu, kas precīzi atbilst tam raksturīgajai funkcijai, jo lāzera iekšpusē vienmēr ir zināms daudzums karsto punktu vai svārstību. Atšķirību starp lāzera faktisko staru kūļa profilu un ideālo stara profilu bieži apraksta ar metriku, tostarp lāzera M2 faktoru
Gausa un plakani augšējā sijas profili

4. attēls. Gausa staru kūļa un plakana augšējā staru kūļa profilu salīdzinājums ar vienādu vidējo jaudu vai intensitāti parāda, ka Gausa staru kūļa maksimālā intensitāte ir divreiz lielāka nekā plakanā augšējā stara intensitāte.

10: novirze (tipiskās vienības: mrad)
Lai gan lāzera starus bieži uzskata par kolimētiem, tie vienmēr satur zināmu novirzi, kas raksturo pakāpi, kādā stars novirzās difrakcijas dēļ pieaugošos attālumos no lāzera stara vidukļa. Liela attāluma lietojumos, piemēram, LiDAR sistēmās, kur objekti var atrasties simtiem metru attālumā no lāzera sistēmas, atšķirības kļūst par īpaši svarīgu problēmu. Stara novirzi bieži nosaka ar lāzera pusleņķi, un Gausa stara novirzi (0) definē šādi:

W ir lāzera viļņa garums un w{0}} ir lāzera stara viduklis
Galīgie sistēmas parametri
Šie galīgie parametri raksturo lāzera sistēmas veiktspēju pie izejas
11: vietas izmērs (parastās vienības: um)
Fokusēta lāzera stara vietas izmērs raksturo stara diametru fokusēšanas lēcu sistēmas fokusā. Daudzās lietojumprogrammās, piemēram, materiālu apstrādē un medicīniskajā ķirurģijā, mērķis ir samazināt vietas izmēru. Tas palielina jaudas blīvumu un ļauj izveidot īpaši smalkas īpašības (5. attēls). Asfēriskās lēcas bieži izmanto tradicionālo sfērisko lēcu vietā, lai samazinātu sfēriskās aberācijas un radītu mazākus fokusa punktu izmērus. Dažu veidu lāzeru sistēmas galu galā nefokusē lāzeru uz vietu, un tādā gadījumā šis parametrs nav piemērojams.

5. attēls. Lāzera mikroapstrādes eksperimenti Itālijas Tehnoloģiju institūtā parāda 10-kārtīgu ablācijas efektivitātes pieaugumu nanosekundes lāzera urbšanas sistēmā, kad plankuma izmērs tiek samazināts no 220 um uz 9 um pie nemainīga plūsmas ātruma

12: darba attālums (parastās mērvienības: no um līdz m)
Lāzera sistēmas darbības attālums parasti tiek definēts kā fiziskais attālums no gala optiskā elementa (parasti fokusēšanas lēcas) līdz objektam vai virsmai, uz kuru ir fokusēts lāzers. Dažas lietojumprogrammas, piemēram, medicīnas lāzeri, parasti cenšas samazināt darba attālumu, savukārt citas, piemēram, attālās uzrādes, parasti cenšas palielināt darba attāluma diapazonu.