Существует широкий спектр общих лазерных систем для различных применений, включая обработку материалов, лазерную хирургию и дистанционное зондирование, но многие лазерные системы имеют общие ключевые параметры. Установление общей терминологии для этих параметров предотвращает недопонимание, а их понимание позволяет правильно определить лазерные системы и компоненты в соответствии с требованиями применения.
Рисунок 1: Схема обычной системы лазерной обработки материалов, где каждый из 10 ключевых параметров лазерной системы представлен соответствующим числом.
Основные параметры
Следующие основные параметры представляют собой наиболее фундаментальные концепции лазерной системы и необходимы для понимания более сложных моментов.
1: Длина волны (типичные единицы: от нм до мкм)
Длина волны лазера описывает пространственную частоту излучаемой световой волны. Оптимальная длина волны для конкретного варианта использования во многом зависит от приложения. Различные материалы будут иметь уникальные свойства поглощения, зависящие от длины волны, при обработке материала, что приводит к различным взаимодействиям с материалом. Точно так же атмосферное поглощение и интерференция по-разному будут влиять на определенные длины волн при дистанционном зондировании, а различные комплексы по-разному будут поглощать определенные длины волн в медицинских лазерных приложениях. Лазеры с более короткой длиной волны и лазерная оптика облегчают создание небольших точных деталей с минимальным периферийным нагревом, поскольку фокусное пятно меньше. Однако они обычно дороже и их легче повредить, чем лазеры с большей длиной волны.
2: Мощность и энергия (типовые единицы: Вт или Дж)
Мощность лазера измеряется в ваттах (Вт) и используется для характеристики выходной оптической мощности лазера непрерывного действия (CW) или средней мощности импульсного лазера. Импульсные лазеры характеризуются также энергией импульса, которая пропорциональна средней мощности и обратно пропорциональна частоте следования лазера (рис. 2). Энергия измеряется в джоулях (Дж).
Рисунок 2: Визуальное представление взаимосвязи между энергией импульса, частотой повторения и средней мощностью импульсного лазера.
Лазеры с большей мощностью и энергией обычно дороже и выделяют больше тепла. Поддержание высокого качества луча также становится сложнее с увеличением мощности и энергии.
3: Длительность импульса (типичные единицы: от фс до мс)
Длительность лазерного импульса или ширина импульса обычно определяется как полная ширина на полувысоте (FWHM) мощности лазерного света в зависимости от времени (рис. 3). Сверхбыстрые лазеры предлагают множество преимуществ в ряде применений, включая прецизионную обработку материалов и медицинские лазеры, и характеризуются короткой длительностью импульса от пикосекунд (10-12 секунд) до аттосекунд (10-18 секунд).
Рисунок 3. Импульсные лазерные импульсы, разделенные во времени величиной, обратной частоте повторения.
4: Частота повторения (типичные единицы измерения: от Гц до МГц)
Частота повторения или частота повторения импульсов импульсного лазера описывает количество импульсов, излучаемых в секунду, или интервал импульсов, обратный времени (рис. 3). Как говорилось ранее, частота повторения обратно пропорциональна энергии импульса и прямо пропорциональна средней мощности. Хотя частота повторения обычно зависит от усиливающей среды лазера, во многих случаях она может варьироваться. Более высокая частота повторения приводит к сокращению времени тепловой релаксации на поверхности лазерной оптики и в конечной точке фокусировки, что приводит к более быстрому нагреву материала.
5: Длина когерентности (типичные единицы: от миллиметров до метров)
Лазеры когерентны, что означает, что существует фиксированная связь между значениями фазы электрического поля в разное время и в разных местах. Это связано с тем, что в отличие от большинства других типов источников света, лазеры производятся путем возбужденного излучения. Когерентность ухудшается в процессе распространения, а длина когерентности лазера определяет расстояние, на котором временная когерентность лазера поддерживается на определенном уровне.
6: Поляризация
Поляризация определяет направление электрического поля световой волны, которое всегда перпендикулярно направлению распространения. В большинстве случаев лазер будет линейно поляризован, а это означает, что излучаемое электрическое поле всегда направлено в одном и том же направлении. Неполяризованный свет будет иметь электрическое поле, направленное в разных направлениях. Степень поляризации обычно выражают как отношение фокусных расстояний света в двух ортогонально поляризованных состояниях, например 100:1 или 500:1.
Параметры луча
Следующие параметры характеризуют форму и качество лазерного луча.
7: Диаметр луча (типовые единицы: от мм до см)
Диаметр луча лазера характеризует боковое расширение луча или его физический размер, перпендикулярный направлению распространения. Обычно ее определяют как ширину 1/e2, которая достигается интенсивностью луча при 1/e2 (≈ 13,5%). В точке 1/e2 напряженность электрического поля падает до 1/e (≈ 37%). Чем больше диаметр луча, тем больше должна быть оптика и вся система, чтобы избежать усечения луча, что увеличивает стоимость. Однако уменьшение диаметра луча увеличивает плотность мощности/энергии, что также может быть вредным.
8: Плотность мощности или энергии (типовые единицы измерения: от Вт/см2 до МВт/см2 или от мкДж/см2 до Дж/см2).
Диаметр луча относится к плотности мощности/энергии лазерного луча или оптической мощности/энергии на единицу площади. Чем больше диаметр луча, тем ниже плотность мощности/энергии луча с постоянной мощностью или энергией. На конечном выходе системы (например, при лазерной резке или сварке) часто желательна высокая плотность мощности/энергии, но внутри системы низкая концентрация мощности/энергии часто полезна для предотвращения повреждений, вызванных лазером. Это также предотвращает ионизацию воздуха в области высокой мощности/плотности энергии луча. По этим причинам, среди прочего, расширители лазерного луча часто используются для увеличения диаметра и тем самым снижения плотности мощности/энергии внутри лазерной системы. Однако необходимо соблюдать осторожность, чтобы не расширить луч настолько, чтобы он не заслонился апертурами системы, что приведет к напрасной трате энергии и потенциальному повреждению.
9: Профиль балки
Профиль луча лазера описывает распределенную интенсивность в поперечном сечении луча. Общие профили балок включают гауссовы балки и балки с плоской вершиной, профили которых соответствуют функциям Гаусса и плоской вершины соответственно (рис. 4). Однако ни один лазер не может создать полностью гауссовский или полностью плоский луч с профилем луча, который точно соответствует его собственной функции, поскольку внутри лазера всегда существует определенное количество горячих точек или флуктуаций. Разница между фактическим профилем луча лазера и идеальным профилем луча обычно описывается метрикой, которая включает коэффициент M2 лазера.
Рисунок 4: Сравнение профиля гауссова луча с одинаковой средней мощностью или интенсивностью и луча с плоской вершиной показывает, что пиковая интенсивность гауссовского луча в два раза превышает интенсивность луча с плоской вершиной.
10: Дивергенция (типичные единицы: мрад)
Хотя лазерные лучи обычно считаются коллимированными, они всегда содержат определенную степень расходимости, которая описывает степень, в которой луч расходится при увеличении расстояния от перетяжки лазерного луча из-за дифракции. В приложениях с большими рабочими расстояниями, таких как системы LIDAR, где объекты могут находиться на расстоянии сотен метров от лазерной системы, расхождение становится особенно важной проблемой. Расходимость луча обычно определяется половиной угла лазера, а расходимость (θ) гауссова луча определяется как:
Картина.
λ — длина волны лазера, а w0 — перетяжка луча лазера.
Окончательные параметры системы
Эти окончательные параметры описывают производительность лазерной системы на выходе.
11: Размер пятна (типичная единица: мкм)
Размер пятна сфокусированного лазерного луча описывает диаметр луча в фокусе системы фокусирующих линз. Во многих приложениях, таких как обработка материалов и медицинская хирургия, целью является минимизация размера пятна. Это максимизирует плотность мощности и позволяет создавать исключительно точные детали. Асферические линзы часто используются вместо традиционных сферических линз, чтобы минимизировать сферическую аберрацию и уменьшить размер фокусного пятна. Некоторые типы лазерных систем в конечном итоге не фокусируют лазер в точку, и в этом случае этот параметр не применяется.
12: Рабочее расстояние (типовые единицы: от мкм до м)
Рабочее расстояние лазерной системы обычно определяется как физическое расстояние от конечного оптического элемента (обычно фокусирующей линзы) до объекта или поверхности, на которой фокусируется лазер. Некоторые приложения, такие как медицинские лазеры, обычно стремятся минимизировать рабочее расстояние, в то время как другие приложения, такие как дистанционное зондирование, обычно стремятся максимизировать диапазон рабочих расстояний.
