On olemassa laaja valikoima yleisiä laserjärjestelmiä erilaisiin sovelluksiin, mukaan lukien materiaalien käsittelyyn, laserkirurgiaan ja kaukokartoitukseen, mutta monilla laserjärjestelmillä on yhteiset keskeiset parametrit. Yhteisen terminologian luominen näille parametreille estää väärinkäytökset, ja niiden ymmärtäminen mahdollistaa laserjärjestelmien ja komponenttien oikean määrittelyn sovellusten vaatimusten täyttämiseksi.
Kuva 1: Kaavio tavallisesta lasermateriaalinkäsittelyjärjestelmästä, jossa jokainen laserjärjestelmän 10 avainparametrista on esitetty vastaavalla numerolla
Perusparametrit
Seuraavat perusparametrit ovat laserjärjestelmän peruskäsitteitä ja ovat välttämättömiä edistyneempien kohtien ymmärtämiseksi.
1: Aallonpituus (tyypilliset yksiköt: nm - µm)
Laserin aallonpituus kuvaa emittoidun valoaallon spatiaalista taajuutta. Optimaalinen aallonpituus tietyssä käyttötapauksessa riippuu suuresti sovelluksesta. Eri materiaaleilla on ainutlaatuiset aallonpituudesta riippuvat absorptioominaisuudet materiaalinkäsittelyssä, mikä johtaa erilaisiin vuorovaikutuksiin materiaalin kanssa. Samoin 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 helpottavat pienten, tarkkojen ominaisuuksien luomista minimaalisella reunalämmityksellä, koska polttopiste on pienempi. Ne ovat kuitenkin tyypillisesti kalliimpia ja vaurioituvat helpommin 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 laserin 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 tyypillisesti kalliimpia ja ne tuottavat enemmän hukkalämpöä. Korkean säteen laadun ylläpitäminen vaikeutuu myös tehon ja energian lisääntyessä.
3: Pulssin kesto (tyypilliset yksiköt: fs - ms)
Laserpulssin kesto tai pulssin leveys määritellään tavallisesti laservalon tehon puolessa maksimissa (FWHM) täysi leveys suhteessa aikaan (kuva 3). Ultranopeilla lasereilla on monia etuja useissa sovelluksissa, mukaan lukien tarkkuusmateriaalien käsittelyssä ja lääketieteellisissä lasereissa, ja niille on ominaista lyhyet pulssin kestoajat noin pikosekunneista (10-12 sekuntia) attosekuntiin (10-18 sekuntia).
Kuva 3: Pulssilaserpulssit erotettuina ajallisesti toistotaajuuden käänteisluvulla
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 riippuu yleensä laserin vahvistusväliaineesta, se voi vaihdella monissa tapauksissa. Suuremmat toistonopeudet johtavat lyhyempiin lämpörelaksaatioaikaan laseroptiikan pinnalla ja lopullisessa tarkennuspisteessä, mikä johtaa materiaalin nopeampaan kuumenemiseen.
5: Koherenssipituus (tyypilliset yksiköt: millimetreistä metreihin)
Laserit ovat koherentteja, mikä tarkoittaa, että sähkökentän vaihearvojen välillä on kiinteä suhde eri aikoina tai eri paikoissa. Tämä johtuu siitä, että toisin kuin useimmat muut valonlähteet, laserit tuotetaan virittyneen emission avulla. Koherenssi heikkenee koko etenemisprosessin ajan, ja laserin koherenssipituus määrittää etäisyyden, jonka yli laserin ajallinen koherenssi säilyy tietyssä laadussa.
6: Polarisaatio
Polarisaatio määrittelee valoaallon sähkökentän suunnan, joka on aina kohtisuorassa etenemissuuntaan nähden. Useimmissa tapauksissa laser on lineaarisesti polarisoitu, mikä tarkoittaa, että emittoitu sähkökenttä osoittaa aina samaan suuntaan. Polarisoimattomassa valossa on sähkökenttä, joka osoittaa moniin eri suuntiin. Polarisaatioaste ilmaistaan yleensä valon polttovälien suhteena kahdessa ortogonaalisesti polarisoidussa tilassa, esim. 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 mittaa kohtisuorassa etenemissuuntaan nähden. Se määritellään yleensä 1/e2-leveydeksi, joka saavutetaan säteen intensiteetillä arvolla 1/e2 (≈ 13,5 %). 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: Teho tai energiatiheys (tyypilliset yksiköt: W/cm2 - MW/cm2 tai µJ/cm2 - J/cm2)
Säteen halkaisija liittyy lasersäteen tehoon/energiatiheyteen tai optiseen tehoon/energiaan pinta-alayksikköä kohti. Mitä suurempi säteen halkaisija on, sitä pienempi on säteen teho/energiatiheys vakioteholla tai energialla. Järjestelmän lopputuloksessa (esim. laserleikkauksessa tai hitsauksessa) suuri teho/energiatiheys on usein toivottava, mutta järjestelmässä alhainen teho/energiapitoisuus on usein hyödyllinen laserin aiheuttamien vaurioiden estämiseksi. Tämä estää myös ilman ionisoitumisen säteen suuren tehon/energiatiheyden alueella. Näistä syistä muun muassa lasersäteen laajentajia käytetään usein kasvattamaan halkaisijaa ja siten vähentämään teho/energiatiheyttä laserjärjestelmän sisällä. On kuitenkin huolehdittava, ettei säde laajene niin paljon, että se peittyy järjestelmän aukoista, mikä johtaa hukkaan energiaan ja mahdollisiin vaurioihin.
9: Sädeprofiili
Laserin sädeprofiili kuvaa jakaantunutta intensiteettiä säteen poikkileikkauksessa. Yleisiä palkkiprofiileja ovat Gauss-palkit ja litteät palkit, joiden palkkiprofiilit noudattavat vastaavasti Gaussin- ja litteäpalkin funktioita (kuva 4). Mikään laser ei kuitenkaan pysty tuottamaan täysin Gaussin tai täysin litteää yläsädettä, jonka sädeprofiili vastaa täsmälleen sen ominaisfunktiota, koska laserin sisällä on aina tietty määrä kuumia pisteitä tai heilahteluja. Laserin todellisen sädeprofiilin ja ihanteellisen sädeprofiilin välinen ero kuvataan yleensä metriikalla, joka sisältää laserin M2-tekijän.
Kuva 4: Saman keskitehon tai intensiteetin Gauss-säteen ja litteän säteen säteen profiilin vertailu osoittaa, että Gauss-säteen huippuintensiteetti on kaksi kertaa suurempi kuin tasapäällisen säteen.
10: Poikkeama (tyypilliset yksiköt: mrad)
Vaikka lasersäteitä pidetään yleensä kollimoituneena, ne sisältävät aina tietyn määrän hajoamista, joka kuvaa sitä, missä määrin säde hajoaa kasvavilla etäisyyksillä lasersäteen vyötäröstä diffraktion vuoksi. Sovelluksissa, joissa käyttöetäisyydet ovat pitkiä, kuten LIDAR-järjestelmissä, joissa esineet voivat olla satojen metrien päässä laserjärjestelmästä, eroista tulee erityisen tärkeä ongelma. Säteen hajonta määritellään yleensä laserin puolikulmalla ja Gaussin säteen hajonta (θ) määritellään seuraavasti:
Kuva.
λ on laserin aallonpituus ja w{0}} on laserin säteen vyötärö.
Lopulliset järjestelmäparametrit
Nämä lopulliset parametrit kuvaavat laserjärjestelmän suorituskykyä lähdössä.
11: pisteen koko (tyypillinen yksikkö: µm)
Tarkennetun lasersäteen pistekoko kuvaa säteen halkaisijaa tarkennuslinssijärjestelmän polttopisteessä. Monissa sovelluksissa, kuten materiaalinkäsittelyssä ja lääketieteellisessä kirurgiassa, tavoitteena on minimoida pisteen koko. Tämä maksimoi tehotiheyden ja mahdollistaa poikkeuksellisen hienojen ominaisuuksien luomisen. Asfäärisiä linssejä käytetään usein perinteisten pallomaisten linssien sijasta pallopoikkeaman minimoimiseksi ja pienempien polttopistekokojen tuottamiseksi. Jotkin laserjärjestelmätyypit eivät lopulta tarkenna laseria pisteeseen, jolloin tämä parametri ei ole voimassa.
12: Työetäisyys (tyypilliset yksiköt: µm - m)
Laserjärjestelmän työskentelyetäisyys määritellään yleensä fyysiseksi etäisyydeksi lopullisesta optisesta elementistä (yleensä tarkennuslinssistä) kohteeseen tai pintaan, johon laser on tarkennettu. Tietyt sovellukset, kuten lääketieteelliset laserit, pyrkivät yleensä minimoimaan työskentelyetäisyyden, kun taas muut sovellukset, kuten kaukokartoitus, pyrkivät tyypillisesti maksimoimaan työskentelyetäisyyden.
