Der er en bred vifte af almindelige lasersystemer, der bruges i en række forskellige applikationer, såsom materialebehandling, laserkirurgi og fjernmåling, men mange lasersystemer har fælles nøgleparametre. Etablering af fælles terminologi for disse parametre forhindrer kommunikationsfejl, og forståelsen af dem gør det muligt for lasersystemet og komponenterne at blive korrekt specificeret for at opfylde applikationskravene.
Figur 1: Skematisk diagram af et almindeligt lasermaterialebehandlingssystem, hvor hver af lasersystemets 10 nøgleparametre er repræsenteret med et tilsvarende tal
Grundlæggende parametre
Følgende grundlæggende parametre er de mest grundlæggende begreber i lasersystemer og er også kritiske for at forstå mere avancerede punkter
1: Bølgelængde (typiske enheder: nm til um)
Bølgelængden af en laser beskriver den rumlige frekvens af den udsendte lysbølge. Den optimale bølgelængde for en given anvendelse er meget afhængig af anvendelsen. Forskellige materialer vil have unikke bølgelængdeafhængige absorptionsegenskaber i materialebearbejdning, hvilket resulterer i forskellige interaktioner med materialet. Tilsvarende vil atmosfærisk absorption og interferens påvirke visse bølgelængder forskelligt ved fjernmåling, og forskellige komplekser vil absorbere visse bølgelængder forskelligt i medicinske laserapplikationer. Kortere bølgelængde lasere og laseroptik er gavnlige til at skabe små og præcise funktioner med minimal perifer opvarmning, fordi brændpunktet er mindre. Men de er generelt dyrere og mere modtagelige for skader end lasere med længere bølgelængde.
2: Effekt og energi (typiske enheder: W eller J)
Effekten af en laser måles i watt (W) og bruges til at beskrive den optiske effekt af en kontinuerlig bølge (CW) laser eller den gennemsnitlige effekt af en pulseret laser. Pulserende lasere er også kendetegnet ved deres pulsenergi, som er proportional med den gennemsnitlige effekt og omvendt proportional med laserens gentagelseshastighed (figur 2). Energi måles i Joule (J).
Figur 2: Visuel repræsentation af forholdet mellem pulsenergi, gentagelseshastighed og gennemsnitseffekt af en pulseret laser
Højere effekt- og energilasere er generelt dyrere, og de genererer mere spildvarme. At opretholde høj strålekvalitet bliver også stadig sværere, efterhånden som effekt og energi øges.
3: Pulsvarighed (typiske enheder: fs til ms)
Laserpulsvarighed eller pulsbredde defineres sædvanligvis som den fulde bredde ved halv maksimum (FWHM) af laserens optiske effekt kontra tid (figur 3). Ultrahurtige lasere tilbyder mange fordele i en række applikationer, herunder præcisionsmaterialebehandling og medicinske lasere. De er karakteriseret ved korte pulsvarigheder af størrelsesordenen picosekunder (10-12 sekunder) til attosekunder (10-18 og mindre
P(W)
1/Gentagelsesrate
Køb tid(er) til offentlig konto
Figur 3: Pulserne fra en pulseret laser adskilles i tid med det omvendte af gentagelseshastigheden
4: Gentagelseshastighed (typiske enheder: Hz til MHz)
Gentagelseshastigheden eller pulsgentagelsesfrekvensen for en pulseret laser beskriver antallet af pulser udsendt pr. sekund eller det omvendte tidspulsinterval (figur 3). Som tidligere nævnt er gentagelseshastigheden omvendt proportional med pulsenergien og direkte proportional med den gennemsnitlige effekt. Mens gentagelseshastigheden generelt er afhængig af laserforstærkningsmediet, kan den variere i mange tilfælde. Højere gentagelseshastigheder resulterer i kortere termiske afslapningstider ved overfladen af laseroptikken og ved det endelige fokus, hvilket resulterer i hurtigere materialeopvarmning.
5: Kohærenslængde (typiske enheder: millimeter til meter)
Laseren er kohærent, hvilket betyder, at elektriske strømme på forskellige tidspunkter eller steder er kohærente. Der er et fast forhold mellem feltfaseværdierne. Dette skyldes, at lasere, i modsætning til de fleste andre typer lyskilder, produceres af stimuleret emission. Kohærenslængden definerer en afstand, over hvilken den tidsmæssige kohærens af laserlyset forbliver konstant under hele udbredelsen af laserlyset, uden forringelse under processen.
6: Polarisering
Polarisering definerer retningen af lysbølgens elektriske felt, "det er altid vinkelret på udbredelsesretningen. I de fleste tilfælde vil laserlys være lineært polariseret, hvilket betyder, at det udsendte elektriske felt altid peger i samme retning. Upolariseret lys vil have et elektrisk felt, der peger i mange forskellige retninger. Graden af polarisering er normalt udtrykt som forholdet mellem den optiske effekt af to ortogonale polarisationstilstande, såsom 100:1 eller 500:1.
Stråleparametre
Følgende parametre karakteriserer laserstrålens form og kvalitet.
7: Strålediameter (typiske enheder: mm til cm)
Strålediameteren af en laser karakteriserer strålens laterale forlængelse eller dens fysiske størrelse vinkelret på udbredelsesretningen. Det er normalt defineret som 1/e2-bredden, som er bredden af stråleintensiteten op til 1/e2 (=13.5%). Ved 1/e2-punktet falder det elektriske felts intensitet til 1/e (=37%). Jo større strålediameteren er, jo større skal optikken og hele systemet være for at undgå stråleafskæring, hvilket øger omkostningerne. En reduktion i strålediameteren øger imidlertid effekt-/energitætheden, hvilket også kan være skadeligt.
8: Effekt eller energitæthed (typiske enheder: W/cm2 til MWicm2 eller uJ/cm2 til J/cm2)
Strålediameter er relateret til laserstrålens effekt/energitæthed. Energitæthed eller mængden af optisk effekt/energi pr. arealenhed. Jo større strålediameteren er, desto lavere effekt/energitæthed har strålebundtet for en konstant effekt eller energi. Høj effekt/energitæthed er ofte ønskelig ved systemets endelige output (for eksempel ved laserskæring eller svejsning), men lave effekt/energikoncentrationer er ofte fordelagtige inde i systemet for at forhindre laserinduceret skade. Dette forhindrer også strålens områder med høj effekt/energitæthed i at ionisere luften. Blandt andet af disse grunde bruges laserstråleekspandere ofte til at øge diameteren og dermed reducere effekt/energitætheden inde i lasersystemet. Dog skal man passe på ikke at udvide strålen for meget, så den blokeres fra åbninger i systemet, hvilket resulterer i spild af energi og potentiel skade.
9: Stråleprofil
Stråleprofilen af en laser beskriver den fordelte intensitet over tværsnittet af strålen. Almindelige bjælkeprofiler omfatter gaussiske bjælker og fladtop-bjælker, hvis bjælkeprofiler følger henholdsvis Gauss-funktionen og fladtop-funktionen (figur 4). Ingen laser kan dog frembringe en helt gaussisk eller helt flad-top-stråle med en stråleprofil, der nøjagtigt matcher dens karakteristiske funktion, fordi der altid er en vis mængde hot spots eller fluktuationer inde i laseren. Forskellen mellem den faktiske stråleprofil af en laser og den ideelle stråleprofil beskrives ofte af metrikker, herunder laserens M2-faktor
Gaussiske og flade topbjælkeprofiler
Figur 4: Sammenligning af stråleprofilerne for en gaussisk stråle og en flad topstråle med samme gennemsnitseffekt eller intensitet viser, at spidsintensiteten af den Gaussiske stråle er det dobbelte af den flade topstråle
10: Divergens (typiske enheder: mrad)
Mens laserstråler ofte betragtes som kollimerede, indeholder de altid en vis grad af divergens, som beskriver i hvilken grad strålen divergerer i stigende afstand fra laserens stråletalje på grund af diffraktion. I applikationer med lang arbejdsafstand, såsom LiDAR-systemer, hvor objekter kan være hundreder af meter væk fra lasersystemet, bliver divergens et særligt vigtigt spørgsmål. Stråledivergens er ofte defineret af laserens halve vinkel, og divergensen af en Gauss-stråle (0) er defineret som:
W er laserens bølgelængde, og w0 er laserens stråletalje
Endelige systemparametre
Disse sidste parametre beskriver lasersystemets ydeevne ved udgangen
11: Pletstørrelse (typiske enheder: um)
Punktstørrelsen af en fokuseret laserstråle beskriver strålediameteren ved fokus af fokuseringslinsesystemet. I mange applikationer, såsom materialebehandling og medicinsk kirurgi, er målet at minimere pletstørrelsen. Dette maksimerer effekttætheden og tillader oprettelsen af særligt fine funktioner (Figur 5). Asfæriske linser bruges ofte i stedet for traditionelle sfæriske linser for at reducere sfæriske aberrationer og producere mindre brændpunktsstørrelser. Nogle typer lasersystemer fokuserer i sidste ende ikke laseren til et punkt, i hvilket tilfælde denne parameter ikke gælder.
Figur 5: Eksperimenter med lasermikrobearbejdning ved det italienske teknologiske institut viser en 10-dobling i ablationseffektivitet i et nanosekunds laserboresystem, når pletstørrelsen reduceres fra 220um til 9um ved en konstant flowhastighed
12: Arbejdsafstand (typiske enheder: um til m)
Arbejdsafstanden for et lasersystem er typisk defineret som den fysiske afstand fra det endelige optiske element (normalt en fokuseringslinse) til objektet eller overfladen, som laseren er fokuseret på. Visse applikationer, såsom medicinske lasere, søger typisk at minimere arbejdsafstanden, mens andre, såsom fjernmåling, typisk har til formål at maksimere deres arbejdsafstandsområde.
