Existuje široká škála univerzálních laserových systémů pro různé aplikace, jako je zpracování materiálů, laserová chirurgie a dálkové snímání, ale mnoho laserových systémů má společné klíčové parametry. Zavedení společné terminologie pro tyto parametry zabraňuje nedorozuměním a jejich pochopení umožňuje správnou specifikaci laserových systémů a komponentů, aby splňovaly požadavky aplikace.
Základní parametry
Následující základní parametry jsou nejzákladnějšími koncepty laserového systému a jsou nezbytné pro pochopení pokročilejších bodů.
1: Vlnová délka (typické jednotky: nm až µm)
Vlnová délka laseru popisuje prostorovou frekvenci emitované světelné vlny. Optimální vlnová délka pro daný případ použití je vysoce závislá na aplikaci. Při zpracování materiálů mají různé materiály jedinečné absorpční vlastnosti závislé na vlnové délce, které vedou k různým interakcím s materiálem. Podobně při dálkovém průzkumu může atmosférická absorpce a interference ovlivnit určité vlnové délky odlišně a v aplikacích lékařských laserů mohou různé komplexy absorbovat určité vlnové délky odlišně. Lasery s kratší vlnovou délkou a laserová optika pomáhají vytvářet malé, přesné prvky s minimálním periferním zahříváním, protože ohnisko je menší. Jsou však obvykle dražší a snáze se poškodí než lasery s delší vlnovou délkou.
2: Výkon a energie (typické jednotky: W nebo J)
Výkon laseru se měří ve wattech (W) a používá se k popisu výstupního optického výkonu laseru s kontinuální vlnou (CW) nebo průměrného výkonu pulzního laseru. Pulzní lasery jsou také charakterizovány svou pulzní energií, která je úměrná průměrnému výkonu a nepřímo úměrná opakovací frekvenci laseru (obrázek 2). Energie se měří v joulech (J).
Lasery s vyšším výkonem a energií jsou obvykle dražší a produkují více odpadního tepla. Udržování vysoké kvality paprsku je také obtížnější s rostoucím výkonem a energií.
3: Doba trvání pulzu (typické jednotky: fs až ms)
Doba trvání laserového pulzu nebo šířka pulzu je obvykle definována jako plná šířka při polovičním maximu (FWHM) výkonu laserového světla v závislosti na čase (obrázek 3). Ultrarychlé lasery nabízejí mnoho výhod v řadě aplikací, včetně přesného zpracování materiálů a lékařských laserů, a vyznačují se krátkou dobou trvání pulsu přibližně pikosekundy (10-12 sekund) až attosekundy (10-18 sekund).
4: Opakovací frekvence (typické jednotky: Hz až MHz)
Opakovací frekvence nebo frekvence opakování pulzů pulzního laseru popisuje počet pulzů emitovaných za sekundu nebo interval zpětného časového pulzu (obrázek 3). Jak již bylo zmíněno dříve, opakovací frekvence je nepřímo úměrná energii pulzu a přímo úměrná průměrnému výkonu. Zatímco opakovací frekvence je obvykle závislá na médiu zesílení laseru, může se v mnoha případech lišit. Vyšší opakovací frekvence má za následek kratší doby tepelné relaxace na optickém povrchu laseru a na konečném ohnisku, což vede k rychlejšímu zahřívání materiálu.
5: Koherenční délka (typické jednotky: milimetry až metry)
Lasery jsou koherentní, což znamená, že existuje pevný vztah mezi fázovými hodnotami elektrického pole v různých časech nebo místech. Je to proto, že na rozdíl od většiny ostatních typů světelných zdrojů jsou lasery produkovány excitovanou emisí. Koherence se v průběhu procesu přenosu snižuje a koherenční délka laseru určuje vzdálenost, na kterou zůstává časová koherence laseru v určité kvalitě.
6: Polarizace
Polarizace určuje směr elektrického pole světelné vlny, který je vždy kolmý ke směru šíření. Ve většině případů bude laser lineárně polarizovaný, což znamená, že emitované elektrické pole vždy míří stejným směrem. Nepolarizované světlo bude mít elektrické pole, které bude směřovat do mnoha různých směrů. Polarizace se obvykle vyjadřuje jako poměr ohniskových vzdáleností světla ve dvou ortogonálně polarizovaných stavech, například 100:1 nebo 500:1.
Parametry paprsku
Následující parametry charakterizují tvar a kvalitu laserového paprsku.
7: Průměr paprsku (typické jednotky: mm až cm)
Průměr paprsku laseru charakterizuje laterální prodloužení paprsku, neboli fyzikální rozměr kolmý ke směru šíření. Obvykle se definuje jako šířka 1/e2, tj. šířka dosažená intenzitou paprsku při 1/e2 (≈13,5 %). V bodě 1/e2 intenzita elektrického pole klesne na 1/e (≈37 %). Čím větší je průměr paprsku, tím větší musí být optika a celý systém, aby nedošlo ke zkrácení paprsku, což zvyšuje náklady. Snížení průměru paprsku však zvyšuje hustotu výkonu/energie, což je také škodlivé.
8: Výkon nebo hustota energie (typické jednotky: W/cm2 až MW/cm2 nebo µJ/cm2 až J/cm2)
Průměr paprsku se vztahuje k hustotě výkonu/energie laserového paprsku nebo optickému výkonu/energii na jednotku plochy. Čím větší je průměr paprsku, tím nižší je hustota výkonu/energie paprsku s konstantním výkonem nebo konstantní energií. Na konečném výstupu systému (např. při řezání laserem nebo svařování) je obvykle vyžadována vysoká hustota výkonu/energie, ale v rámci systému je nízká koncentrace výkonu/energie obvykle prospěšná při prevenci poškození způsobeného laserem. To také zabraňuje ionizaci vzduchu v oblasti paprsku s vysokou hustotou výkonu/energie. Z těchto důvodů se mimo jiné často používají expandéry laserového paprsku ke zvětšení průměru a tím ke snížení hustoty výkonu/energie uvnitř laserového systému. Je však třeba dbát na to, aby paprsek nebyl tak velký, že by paprsek byl zastíněn otvorem systému, což má za následek plýtvání energií a potenciální poškození.
9: Profil paprsku
Profil paprsku laseru popisuje rozloženou intenzitu v průřezu paprsku. Běžné profily paprsků zahrnují gaussovské a ploché paprsky, které sledují gaussovské a ploché horní funkce (obrázek 4). Protože však uvnitř laseru vždy existuje určitý počet horkých bodů nebo fluktuací, žádný laser nemůže produkovat plně Gaussův paprsek nebo paprsek s plně plochým vrcholem, který přesně odpovídá jeho vlastní funkci. Rozdíl mezi skutečným profilem paprsku laseru a ideálním profilem paprsku je obvykle popsán metrikou obsahující faktor M2 laseru.
10: Divergence (typická jednotka: mrad)
Ačkoli jsou laserové paprsky obecně považovány za kolimované, vždy obsahují určitou divergenci, která popisuje, do jaké míry se paprsek rozbíhá ve zvětšujících se vzdálenostech od pasu laserového paprsku v důsledku difrakce. V aplikacích s velkými provozními vzdálenostmi, jako jsou systémy LIDAR, kde objekty mohou být stovky metrů od laserového systému, se divergence stává obzvláště důležitým problémem. Divergence paprsku je obvykle definována v podmínkách polovičního úhlu laseru a divergence (θ) Gaussova paprsku je definována jako.
λ je vlnová délka laseru a w0 je pás laserového paprsku.
Konečné systémové parametry
Tyto konečné parametry popisují výkon laserového systému na výstupu.
11: Velikost bodu (typická jednotka: µm)
Velikost bodu zaostřeného laserového paprsku popisuje průměr paprsku v ohnisku systému zaostřovacích čoček. V mnoha aplikacích, jako je zpracování materiálů a lékařská chirurgie, je cílem minimalizovat velikost místa. To maximalizuje hustotu výkonu a umožňuje vytváření výjimečně jemných funkcí (obrázek 5). Asférické čočky se často používají místo běžných sférických čoček, aby se minimalizovala sférická aberace a vytvořily se menší velikosti ohniskových bodů. Některé typy laserových systémů nakonec nezaměří laser na bod, v takovém případě tento parametr nelze použít.
12: Pracovní vzdálenost (typická jednotka: µm až m)
Pracovní vzdálenost laserového systému je obecně definována jako fyzická vzdálenost od konečného optického prvku (obvykle zaostřovací čočky) k objektu nebo povrchu, na který je laser zaostřen. Některé aplikace, jako jsou lékařské lasery, se často snaží minimalizovat pracovní vzdálenost, zatímco jiné aplikace, jako je dálkové snímání, často usilují o maximalizaci jejich pracovní vzdálenosti.
