On olemassa laaja valikoima yleisiä laserjärjestelmiä, joita käytetään erilaisissa sovelluksissa, kuten materiaalinkäsittelyssä, laserkirurgiassa ja kaukokartoituksessa, mutta monilla laserjärjestelmillä on yhteiset avainparametrit. Yhteisen terminologian luominen näille parametreille estää viestintävirheet, ja niiden ymmärtäminen mahdollistaa laserjärjestelmän ja komponenttien määrittämisen oikein sovellusten vaatimusten mukaisesti.
Kuva 1: Kaavio yleisestä lasermateriaalinkäsittelyjärjestelmästä, jossa jokainen laserjärjestelmän 10 avainparametrista on esitetty vastaavalla numerolla
Perusparametrit
Seuraavat perusparametrit ovat laserjärjestelmien peruskäsitteitä, ja ne ovat myös kriittisiä edistyneempien kohtien ymmärtämisessä
1: Aallonpituus (tyypilliset yksiköt: nm - um)
Laserin aallonpituus kuvaa säteilevän valoaallon spatiaalista taajuutta. Optimaalinen aallonpituus tietyssä käyttötapauksessa riippuu suuresti sovelluksesta. Eri materiaaleilla on ainutlaatuiset aallonpituudesta riippuvat absorptioominaisuudet materiaalin käsittelyssä, mikä johtaa erilaisiin vuorovaikutuksiin materiaalin kanssa. Vastaavasti ilmakehän absorptio ja häiriöt vaikuttavat tiettyihin aallonpituuksiin eri tavalla kaukokartoituksissa, ja erilaiset kompleksit absorboivat tiettyjä aallonpituuksia eri tavalla lääketieteellisissä lasersovelluksissa. Lyhyemmät aallonpituudet laserit ja laseroptiikka ovat hyödyllisiä luotaessa pieniä ja tarkkoja ominaisuuksia minimaalisella reunalämmityksellä, koska polttopiste on pienempi. Ne ovat kuitenkin yleensä kalliimpia ja alttiimpia vaurioille kuin pidemmän aallonpituuden laserit.
2: Teho ja energia (tyypilliset yksiköt: W tai J)
Laserin teho mitataan watteina (W) ja sitä käytetään kuvaamaan jatkuvan aallon (CW) laserin optista tehoa tai pulssilaserin keskimääräistä tehoa. Pulssilasereille on tunnusomaista myös niiden pulssienergia, joka on verrannollinen keskimääräiseen tehoon ja kääntäen verrannollinen laserin toistotiheyteen (kuva 2). Energia mitataan jouleina (J).
Kuva 2: Visuaalinen esitys pulssienergian, toistotaajuuden ja pulssilaserin keskitehon välisestä suhteesta
Suuremman tehon ja energian laserit ovat yleensä kalliimpia ja ne tuottavat enemmän hukkalämpöä. Korkean säteen laadun ylläpitäminen on myös yhä vaikeampaa tehon ja energian lisääntyessä.
3: Pulssin kesto (tyypilliset yksiköt: fs - ms)
Laserpulssin kesto tai pulssin leveys määritellään tavallisesti laserin optisen tehon puoleen maksimileveyteen (FWHM) verrattuna aikaan (kuva 3). Ultranopeat laserit tarjoavat monia etuja useissa sovelluksissa, mukaan lukien tarkkuusmateriaalien käsittelyssä ja lääketieteellisissä lasereissa. Niille on ominaista lyhyet pulssin kestoajat, jotka ovat suuruusluokkaa pikosekuntia (10-12 sekuntia) attosekunteihin (10-18 ja vähemmän).
P(W)
1/Toistotaajuus
Osta julkisen tilin ajat
Kuva 3: Pulssilaserin pulssit erotetaan ajallisesti toistotaajuuden käänteisellä
4: Toistotaajuus (tyypilliset yksiköt: Hz - MHz)
Pulssilaserin toistotaajuus tai pulssin toistotaajuus kuvaa sekunnissa lähetettyjen pulssien lukumäärää tai käänteistä aikapulssiväliä (kuva 3). Kuten aiemmin mainittiin, toistotaajuus on kääntäen verrannollinen pulssienergiaan ja suoraan verrannollinen keskimääräiseen tehoon. Vaikka toistotaajuus on yleensä riippuvainen laserin vahvistusväliaineesta, se voi vaihdella monissa tapauksissa. Suuremmat toistonopeudet johtavat lyhyempiin lämpörelaksaatioaikaan laseroptiikan pinnalla ja lopullisessa tarkennuksessa, mikä johtaa nopeampaan materiaalin kuumenemiseen.
5: Koherenssin pituus (tyypilliset yksiköt: millimetreistä metreihin)
Laser on koherentti, mikä tarkoittaa, että sähkövirrat eri aikoina tai eri paikoissa ovat koherentteja. Kentän vaihearvojen välillä on kiinteä suhde. Tämä johtuu siitä, että laserit, toisin kuin useimmat muut valonlähteet, tuotetaan stimuloidulla säteilyllä. Koherenssipituus määrittää etäisyyden, jonka yli laservalon ajallinen koherenssi pysyy vakiona koko laservalon etenemisen ajan ilman heikkenemistä prosessin aikana.
6: Polarisaatio
Polarisaatio määrittää valoaallon sähkökentän suunnan, "se on aina kohtisuorassa etenemissuuntaan nähden. Useimmissa tapauksissa laservalo on lineaarisesti polarisoitunut, mikä tarkoittaa, että säteilevä sähkökenttä osoittaa aina samaan suuntaan. Polarisoitumaton valo Polarisaatioaste ilmaistaan yleensä kahden ortogonaalisen polarisaatiotilan optisen tehon suhteena, kuten 100:1 tai 500:1.
Säteen parametrit
Seuraavat parametrit kuvaavat lasersäteen muotoa ja laatua.
7: Palkin halkaisija (tyypilliset yksiköt: mm - cm)
Laserin säteen halkaisija kuvaa säteen lateraalista ulottuvuutta tai sen fyysistä kokoa kohtisuorassa etenemissuuntaan nähden. Se määritellään yleensä 1/e2-leveydeksi, joka on säteen intensiteetin leveys aina 1/e2:een (=13.5%) asti. Kohdassa 1/e2 sähkökentän voimakkuus putoaa arvoon 1/e (=37%). Mitä suurempi säteen halkaisija, sitä suurempi optiikan ja koko järjestelmän on oltava, jotta vältetään säteen katkaisu, mikä lisää kustannuksia. Kuitenkin säteen halkaisijan pienentäminen lisää teho/energiatiheyttä, mikä voi myös olla haitallista.
8: Tehon tai energian tiheys (tyypilliset yksiköt: W/cm2 - MWicm2 tai uJ/cm2 - J/cm2)
Säteen halkaisija on suhteessa lasersäteen teho/energiatiheyteen. Energiatiheys tai optisen tehon/energian määrä pinta-alayksikköä kohti. Mitä suurempi säteen halkaisija on, sitä pienempi on säteen teho/energiatiheys vakioteholla tai energialla. Suuri teho/energiatiheys on usein toivottavaa järjestelmän lopputuloksessa (esimerkiksi laserleikkauksessa tai hitsauksessa), mutta alhaiset teho/energiapitoisuudet ovat usein hyödyllisiä järjestelmän sisällä laserin aiheuttamien vaurioiden estämiseksi. Tämä estää myös säteen suuren tehon/energiatiheyden alueita ionisoimasta ilmaa. Näistä syistä muun muassa lasersäteen laajentajia käytetään usein kasvattamaan halkaisijaa ja siten vähentämään teho/energiatiheyttä laserjärjestelmän sisällä. On kuitenkin varottava laajentamasta sädettä liikaa niin, että se estyy järjestelmän aukoista, mikä johtaa energiahukkaan ja mahdollisiin vaurioihin.
9: Sädeprofiili
Laserin säteen profiili kuvaa jakaantunutta intensiteettiä säteen poikkileikkaukselle. Yleisiä palkkiprofiileja ovat Gauss-palkit ja litteät palkit, joiden palkkiprofiilit noudattavat vastaavasti Gaussin funktiota ja litteän ylätason funktiota (kuva 4). Mikään laser ei kuitenkaan pysty tuottamaan täysin Gaussista tai täysin litteää sädettä, jonka sädeprofiili vastaa täsmälleen sen ominaistoimintoa, koska laserin sisällä on aina tietty määrä kuumia pisteitä tai heilahteluja. Ero laserin todellisen sädeprofiilin ja ihanteellisen sädeprofiilin välillä kuvataan usein mittareilla, jotka sisältävät laserin M2-kertoimen
Gaussin ja litteät yläpalkkiprofiilit
Kuva 4: Gauss-säteen ja tasaisen yläpalkin, jonka keskiteho tai intensiteetti on sama, palkkiprofiilien vertailu osoittaa, että Gauss-säteen huippuintensiteetti on kaksi kertaa suurempi kuin litteän yläpalkin.
10: Ero (tyypilliset yksiköt: mrad)
Vaikka lasersäteitä pidetään usein kollimoituneena, ne sisältävät aina tietyn määrän hajoamista, joka kuvaa sitä, missä määrin säde hajoaa kasvavilla etäisyyksillä lasersäteen vyötäröstä diffraktion vuoksi. Pitkien työskentelyetäisyyksien sovelluksissa, kuten LiDAR-järjestelmissä, joissa esineet voivat olla satojen metrien päässä laserjärjestelmästä, poikkeamisesta tulee erityisen tärkeä ongelma. Säteen hajoaminen määritellään usein laserin puolikulmalla, ja Gaussin säteen hajaantumis (0) määritellään seuraavasti:
W on laserin aallonpituus ja w{0}} on laserin säteen vyötärö
Lopulliset järjestelmäparametrit
Nämä lopulliset parametrit kuvaavat laserjärjestelmän suorituskykyä lähdössä
11: Pistekoko (tyypilliset yksiköt: um)
Tarkennetun lasersäteen pistekoko kuvaa säteen halkaisijaa tarkennuslinssijärjestelmän fokuskohdassa. Monissa sovelluksissa, kuten materiaalinkäsittelyssä ja lääketieteellisessä kirurgiassa, tavoitteena on minimoida pisteen koko. Tämä maksimoi tehotiheyden ja mahdollistaa erityisen hienojen ominaisuuksien luomisen (kuva 5). Asfäärisiä linssejä käytetään usein perinteisten pallomaisten linssien sijaan vähentämään pallomaisia poikkeamia ja tuottamaan pienempiä polttopistekokoja. Jotkin laserjärjestelmätyypit eivät lopulta tarkenna laseria pisteeseen, jolloin tämä parametri ei ole voimassa.
Kuva 5: Lasermikrotyöstökokeet Italian teknologiainstituutissa osoittavat ablaatiotehokkuuden 10-kertaiseksi nanosekunnin laserporausjärjestelmässä, kun pisteen kokoa pienennetään 220 um:sta 9 um:iin vakiovirtausnopeudella
12: Työetäisyys (tyypilliset yksiköt: um - m)
Laserjärjestelmän työskentelyetäisyys määritellään tyypillisesti fysikaaliseksi etäisyydeksi lopullisesta optisesta elementistä (yleensä tarkennuslinssistä) kohteeseen tai pintaan, johon laser tarkennetaan. Tietyt sovellukset, kuten lääketieteelliset laserit, pyrkivät yleensä minimoimaan työskentelyetäisyyden, kun taas toiset, kuten kaukokartoitus, pyrkivät tyypillisesti maksimoimaan työskentelyetäisyyden.
