Постоји широк спектар уобичајених ласерских система за различите примене, укључујући обраду материјала, ласерску хирургију и даљинско испитивање, али многи ласерски системи деле заједничке кључне параметре. Успостављање заједничке терминологије за ове параметре спречава погрешну комуникацију, а њихово разумевање омогућава исправну спецификацију ласерских система и компоненти како би се испунили захтеви апликације.
Слика 1: Шема уобичајеног система за обраду ласерског материјала, где је сваки од 10 кључних параметара ласерског система представљен одговарајућим бројем
Основни параметри
Следећи основни параметри су најосновнији концепти ласерског система и од суштинског су значаја за разумевање напреднијих тачака.
1: Таласна дужина (типичне јединице: нм до µм)
Таласна дужина ласера описује просторну фреквенцију емитованог светлосног таласа. Оптимална таласна дужина за дати случај употребе у великој мери зависи од примене. Различити материјали ће имати јединствена својства апсорпције зависне од таласне дужине у обради материјала, што резултира различитим интеракцијама са материјалом. Слично томе, атмосферска апсорпција и сметње ће утицати на одређене таласне дужине различито у даљинском сензору, а различити комплекси ће различито апсорбовати одређене таласне дужине у медицинским ласерским апликацијама. Ласери краће таласне дужине и ласерска оптика олакшавају стварање малих, прецизних карактеристика са минималним периферним грејањем јер је фокусна тачка мања. Међутим, они су обично скупљи и лакше се оштећују од ласера дужине таласне дужине.
2: Снага и енергија (типичне јединице: В или Ј)
Снага ласера се мери у ватима (В) и користи се за карактеризацију излазне оптичке снаге ласера са континуалним таласом (ЦВ) или просечне снаге импулсног ласера. Пулсне ласере карактерише и њихова импулсна енергија, која је пропорционална просечној снази и обрнуто пропорционална брзини понављања ласера (слика 2). Енергија се мери у џулима (Ј).
Слика 2: Визуелни приказ односа између енергије импулса, брзине понављања и просечне снаге импулсног ласера
Ласери веће снаге и енергије су обично скупљи и производе више отпадне топлоте. Одржавање високог квалитета зрака такође постаје теже са повећањем снаге и енергије.
3: Трајање импулса (типичне јединице: фс до мс)
Трајање ласерског импулса или ширина импулса се обично дефинише као пуна ширина на пола максимума (ФВХМ) снаге ласерске светлости у односу на време (Слика 3). Ултрабрзи ласери нуде многе предности у низу примена, укључујући прецизну обраду материјала и медицинске ласере, а карактерише их кратко трајање импулса од око пикосекунди (10-12 секунди) до аттосекунди (10-18 секунди).
Слика 3: Импулсни ласерски импулси раздвојени у времену реципрочном стопом понављања
4: Стопа понављања (типичне јединице: Хз до МХз)
Брзина понављања или фреквенција понављања импулса импулсног ласера описује број емитованих импулса у секунди или инверзни временски интервал импулса (слика 3). Као што је раније поменуто, стопа понављања је обрнуто пропорционална енергији импулса и директно пропорционална просечној снази. Док стопа понављања обично зависи од медијума за појачавање ласера, у многим случајевима може да варира. Веће стопе понављања резултирају краћим временима термичке релаксације на површини ласерске оптике и на крајњој тачки фокуса, што доводи до бржег загревања материјала.
5: Дужина кохерентности (типичне јединице: милиметри до метара)
Ласери су кохерентни, што значи да постоји фиксни однос између вредности фазе електричног поља у различитим временима или локацијама. То је зато што за разлику од већине других врста извора светлости, ласери се производе побуђеном емисијом. Кохеренција се деградира током процеса пропагације, а дужина кохерентности ласера дефинише раздаљину на којој се временска кохерентност ласера одржава на одређеном квалитету.
6: Поларизација
Поларизација дефинише правац електричног поља светлосног таласа, који је увек окомит на правац простирања. У већини случајева, ласер ће бити линеарно поларизован, што значи да емитовано електрично поље увек показује у истом правцу. Неполаризована светлост ће имати електрично поље које показује у много различитих праваца. Степен поларизације се обично изражава као однос жижних даљина светлости у два ортогонално поларизована стања, нпр. 100:1 или 500:1.
Параметри зрака
Следећи параметри карактеришу облик и квалитет ласерског зрака.
7: Пречник снопа (типичне јединице: мм до цм)
Пречник снопа ласера карактерише бочно продужење зрака, или његову физичку димензију управно на правац простирања. Обично се дефинише као ширина 1/е2, која се постиже интензитетом зрака на 1/е2 (≈ 13,5%). У тачки 1/е2, јачина електричног поља пада на 1/е (≈ 37%). Што је већи пречник снопа, то је већа оптика и цео систем да би се избегло скраћивање зрака, што повећава трошкове. Међутим, смањење пречника зрака повећава густину снаге/енергије, што такође може бити штетно.
8: Густина снаге или енергије (типичне јединице: В/цм2 до МВ/цм2 или µЈ/цм2 до Ј/цм2)
Пречник снопа се односи на снагу/густину енергије ласерског зрака или оптичку снагу/енергију по јединици површине. Што је пречник зрака већи, то је нижа густина снаге/енергије зрака са константном снагом или енергијом. На коначном излазу система (нпр. код ласерског сечења или заваривања), висока густина снаге/енергије је често пожељна, али унутар система, ниска концентрација снаге/енергије је често корисна за спречавање оштећења изазваних ласером. Ово такође спречава јонизацију ваздуха у области велике снаге/енергетске густине зрака. Из ових разлога, између осталог, експандери ласерског снопа се често користе за повећање пречника и тиме смањење густине снаге/енергије унутар ласерског система. Међутим, мора се водити рачуна да се сноп не прошири толико да сноп буде заклоњен од отвора у систему, што резултира губитком енергије и потенцијалним оштећењима.
9: Профил снопа
Профил снопа ласера описује распоређени интензитет у попречном пресеку снопа. Уобичајени профили греде обухватају Гаусову и равну греду, чији профили греде прате Гаусову функцију и функцију равног врха (слика 4). Међутим, ниједан ласер не може произвести потпуно Гаусов или потпуно раван горњи сноп са профилом зрака који тачно одговара његовој сопственој функцији, јер увек постоји одређени број врућих тачака или флуктуација унутар ласера. Разлика између стварног профила снопа ласера и идеалног профила зрака обично се описује метриком која укључује М2 фактор ласера.
Слика 4: Поређење профила снопа Гаусове греде са истом просечном снагом или интензитетом и греде са равним врхом показује да је вршни интензитет Гаусове греде двоструко већи од снопа са равним врхом.
10: Дивергенција (типичне јединице: мрад)
Иако се ласерски зраци обично сматрају колимираним, они увек садрже одређену количину дивергенције, која описује степен до којег се сноп дивергира на растућој удаљености од струка ласерског снопа услед дифракције. У апликацијама са великим радним удаљеностима, као што су ЛИДАР системи где објекти могу бити удаљени стотинама метара од ласерског система, дивергенција постаје посебно важно питање. Дивергенција зрака се обично дефинише половичним углом ласера, а дивергенција (θ) Гаусовог снопа је дефинисана као:
Слика.
λ је таласна дужина ласера и в0 је струк ласера.
Коначни параметри система
Ови коначни параметри описују перформансе ласерског система на излазу.
11: Величина тачке (типична јединица: µм)
Величина тачке фокусираног ласерског зрака описује пречник зрака у фокусној тачки система сочива за фокусирање. У многим апликацијама, као што су обрада материјала и медицинска хирургија, циљ је да се минимизира величина тачке. Ово максимизира густину снаге и омогућава стварање изузетно финих карактеристика. Асферична сочива се често користе уместо традиционалних сферних сочива како би се минимизирала сферна аберација и произвеле мање величине жаришне тачке. Неки типови ласерских система на крају не фокусирају ласер на тачку, у ком случају се овај параметар не примењује.
12: Радна удаљеност (типичне јединице: µм до м)
Радна удаљеност ласерског система се обично дефинише као физичка удаљеност од коначног оптичког елемента (обично сочива за фокусирање) до објекта или површине на коју је ласер фокусиран. Одређене апликације, као што су медицински ласери, обично настоје да минимизирају радну удаљеност, док друге апликације, као што је даљинско детектовање, обично имају за циљ да максимизирају опсег своје радне удаљености.
