Υπάρχει ένα ευρύ φάσμα κοινών συστημάτων λέιζερ που χρησιμοποιούνται σε ποικίλες εφαρμογές όπως η επεξεργασία υλικού, η χειρουργική με λέιζερ και η τηλεπισκόπηση, αλλά πολλά συστήματα λέιζερ έχουν κοινές βασικές παραμέτρους. Η καθιέρωση κοινής ορολογίας για αυτές τις παραμέτρους αποτρέπει τα σφάλματα επικοινωνίας και η κατανόησή τους επιτρέπει στο σύστημα λέιζερ και τα εξαρτήματα να προσδιορίζονται σωστά ώστε να πληρούν τις απαιτήσεις της εφαρμογής.
Εικόνα 1: Σχηματικό διάγραμμα ενός κοινού συστήματος επεξεργασίας υλικού λέιζερ, όπου καθεμία από τις 10 βασικές παραμέτρους του συστήματος λέιζερ αντιπροσωπεύεται από έναν αντίστοιχο αριθμό
Βασικές Παράμετροι
Οι ακόλουθες βασικές παράμετροι είναι οι πιο βασικές έννοιες των συστημάτων λέιζερ και είναι επίσης κρίσιμες για την κατανόηση πιο προηγμένων σημείων
1: Μήκος κύματος (τυπικές μονάδες: nm έως um)
Το μήκος κύματος ενός λέιζερ περιγράφει τη χωρική συχνότητα του εκπεμπόμενου κύματος φωτός. Το βέλτιστο μήκος κύματος για μια δεδομένη περίπτωση χρήσης εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την εφαρμογή. Διαφορετικά υλικά θα έχουν μοναδικές ιδιότητες απορρόφησης που εξαρτώνται από το μήκος κύματος κατά την επεξεργασία του υλικού, με αποτέλεσμα διαφορετικές αλληλεπιδράσεις με το υλικό. Ομοίως, η ατμοσφαιρική απορρόφηση και παρεμβολή θα επηρεάσει διαφορετικά ορισμένα μήκη κύματος στην τηλεπισκόπηση και διάφορα σύμπλοκα θα απορροφήσουν διαφορετικά μήκη κύματος σε ιατρικές εφαρμογές λέιζερ. Τα λέιζερ μικρότερου μήκους κύματος και τα οπτικά λέιζερ είναι ευεργετικά για τη δημιουργία μικρών και ακριβών χαρακτηριστικών με ελάχιστη περιφερειακή θέρμανση, επειδή το εστιακό σημείο είναι μικρότερο. Ωστόσο, είναι γενικά πιο ακριβά και πιο επιρρεπή σε ζημιές από τα λέιζερ μεγαλύτερου μήκους κύματος.
2: Ισχύς και Ενέργεια (Τυπικές μονάδες: W ή J)
Η ισχύς ενός λέιζερ μετριέται σε Watt (W) και χρησιμοποιείται για να περιγράψει την οπτική ισχύ εξόδου ενός λέιζερ συνεχούς κύματος (CW) ή τη μέση ισχύ ενός παλμικού λέιζερ. Τα παλμικά λέιζερ χαρακτηρίζονται επίσης από την ενέργεια παλμού τους, η οποία είναι ανάλογη με τη μέση ισχύ και αντιστρόφως ανάλογη με τον ρυθμό επανάληψης του λέιζερ (Εικόνα 2). Η ενέργεια μετριέται σε Joules (J).
Εικόνα 2: Οπτική αναπαράσταση της σχέσης μεταξύ της ενέργειας παλμού, του ρυθμού επανάληψης και της μέσης ισχύος ενός παλμικού λέιζερ
Τα λέιζερ υψηλότερης ισχύος και ενέργειας είναι γενικά πιο ακριβά και παράγουν περισσότερη σπατάλη θερμότητας. Η διατήρηση της ποιότητας της υψηλής δέσμης γίνεται επίσης όλο και πιο δύσκολη καθώς αυξάνεται η ισχύς και η ενέργεια.
3: Διάρκεια παλμού (Τυπικές μονάδες: fs έως ms)
Η διάρκεια ή το πλάτος παλμού λέιζερ ορίζεται συνήθως ως το πλήρες πλάτος στο μισό μέγιστο (FWHM) της οπτικής ισχύος λέιζερ σε σχέση με το χρόνο (Εικόνα 3). Τα εξαιρετικά γρήγορα λέιζερ προσφέρουν πολλά πλεονεκτήματα σε μια σειρά εφαρμογών, συμπεριλαμβανομένης της επεξεργασίας υλικών ακριβείας και των ιατρικών λέιζερ. Χαρακτηρίζονται από σύντομες διάρκειες παλμών της τάξης των picoseconds (10-12 δευτερόλεπτα) έως attoseconds (10-18 και λιγότερο
P(W)
1/Ρυθμός επανάληψης
Αγορά χρόνου(ών) δημόσιου λογαριασμού
Εικόνα 3: Οι παλμοί ενός παλμικού λέιζερ χωρίζονται χρονικά με το αντίστροφο του ρυθμού επανάληψης
4: Ρυθμός επανάληψης (τυπικές μονάδες: Hz έως MHz)
Ο ρυθμός επανάληψης ή η συχνότητα επανάληψης παλμού ενός παλμικού λέιζερ περιγράφει τον αριθμό των παλμών που εκπέμπονται ανά δευτερόλεπτο ή το αντίστροφο χρονικό διάστημα παλμών (Εικόνα 3). Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, ο ρυθμός επανάληψης είναι αντιστρόφως ανάλογος με την ενέργεια του παλμού και ευθέως ανάλογος με τη μέση ισχύ. Ενώ ο ρυθμός επανάληψης εξαρτάται γενικά από το μέσο κέρδους λέιζερ, μπορεί να ποικίλλει σε πολλές περιπτώσεις. Οι υψηλότεροι ρυθμοί επανάληψης έχουν ως αποτέλεσμα μικρότερους χρόνους θερμικής χαλάρωσης στην επιφάνεια των οπτικών λέιζερ και στην τελική εστίαση, γεγονός που οδηγεί σε ταχύτερη θέρμανση του υλικού.
5: Μήκος συνοχής (Τυπικές μονάδες: χιλιοστά σε μέτρα)
Το λέιζερ είναι συνεκτικό, πράγμα που σημαίνει ότι τα ηλεκτρικά ρεύματα σε διαφορετικούς χρόνους ή τοποθεσίες είναι συνεκτικά. Υπάρχει μια σταθερή σχέση μεταξύ των τιμών φάσης πεδίου. Αυτό συμβαίνει επειδή τα λέιζερ, σε αντίθεση με τους περισσότερους άλλους τύπους πηγών φωτός, παράγονται από διεγερμένη εκπομπή. Το μήκος συνοχής ορίζει μια απόσταση στην οποία η χρονική συνοχή του φωτός λέιζερ παραμένει σταθερή καθ' όλη τη διάδοση του φωτός λέιζερ, χωρίς υποβάθμιση κατά τη διάρκεια της διαδικασίας.
6: Πόλωση
Η πόλωση ορίζει την κατεύθυνση του ηλεκτρικού πεδίου του φωτεινού κύματος, "είναι πάντα κάθετη προς την κατεύθυνση διάδοσης. Στις περισσότερες περιπτώσεις, το φως λέιζερ θα είναι γραμμικά πολωμένο, που σημαίνει ότι το εκπεμπόμενο ηλεκτρικό πεδίο δείχνει πάντα προς την ίδια κατεύθυνση. Μη πολωμένο φως θα έχει ένα ηλεκτρικό πεδίο που δείχνει σε πολλές διαφορετικές κατευθύνσεις Ο βαθμός πόλωσης εκφράζεται συνήθως ως ο λόγος της οπτικής ισχύος δύο ορθογώνιων καταστάσεων πόλωσης, όπως 100:1 ή 500:1.
Παράμετροι δέσμης
Οι παρακάτω παράμετροι χαρακτηρίζουν το σχήμα και την ποιότητα της δέσμης λέιζερ.
7: Διάμετρος δοκού (Τυπικές μονάδες: mm έως cm)
Η διάμετρος της δέσμης ενός λέιζερ χαρακτηρίζει την πλευρική επέκταση της δέσμης ή το φυσικό της μέγεθος κάθετο προς την κατεύθυνση διάδοσης. Συνήθως ορίζεται ως το πλάτος 1/e2, που είναι το πλάτος της έντασης της δέσμης έως 1/e2 (=13,5%). Στο σημείο 1/e2, η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου πέφτει στο 1/e (=37%). Όσο μεγαλύτερη είναι η διάμετρος της δέσμης, τόσο μεγαλύτερη είναι η οπτική και ολόκληρο το σύστημα για να αποφευχθεί η αποκοπή της δέσμης, η οποία αυξάνει το κόστος. Ωστόσο, μια μείωση στη διάμετρο της δέσμης αυξάνει την πυκνότητα ισχύος/ενέργειας, η οποία μπορεί επίσης να είναι επιζήμια.
8: Ισχύς ή Πυκνότητα Ενέργειας (Τυπικές μονάδες: W/cm2 έως MWicm2 ή uJ/cm2 έως J/cm2)
Η διάμετρος της δέσμης σχετίζεται με την πυκνότητα ισχύος/ενέργειας της δέσμης λέιζερ. Ενεργειακή πυκνότητα ή η ποσότητα οπτικής ισχύος/ενέργειας ανά μονάδα επιφάνειας. Όσο μεγαλύτερη είναι η διάμετρος της δέσμης, τόσο μικρότερη είναι η πυκνότητα ισχύος/ενέργειας της δέσμης για σταθερή ισχύ ή ενέργεια. Η υψηλή πυκνότητα ισχύος/ενέργειας είναι συχνά επιθυμητή στην τελική έξοδο του συστήματος (για παράδειγμα σε κοπή ή συγκόλληση με λέιζερ), αλλά οι χαμηλές συγκεντρώσεις ισχύος/ενέργειας είναι συχνά ευεργετικές στο εσωτερικό του συστήματος για την αποφυγή ζημιών που προκαλούνται από το λέιζερ. Αυτό επίσης αποτρέπει τις περιοχές υψηλής ισχύος/ενεργειακής πυκνότητας της δέσμης από τον ιονισμό του αέρα. Για αυτούς τους λόγους, μεταξύ άλλων, συχνά χρησιμοποιούνται διαστολείς δέσμης λέιζερ για να αυξήσουν τη διάμετρο και έτσι να μειώσουν την πυκνότητα ισχύος/ενέργειας μέσα στο σύστημα λέιζερ. Ωστόσο, πρέπει να ληφθεί μέριμνα ώστε να μην διαστέλλεται πολύ η δέσμη, ώστε να εμποδίζεται από τα ανοίγματα του συστήματος, με αποτέλεσμα τη σπατάλη ενέργειας και πιθανή ζημιά.
9: Προφίλ δοκού
Το προφίλ δέσμης ενός λέιζερ περιγράφει την κατανεμημένη ένταση στη διατομή της δέσμης. Τα κοινά προφίλ δοκού περιλαμβάνουν δοκούς Gaussian και δοκούς επίπεδης κορυφής, των οποίων τα προφίλ δοκών ακολουθούν τη συνάρτηση Gaussian και τη συνάρτηση επίπεδης κορυφής, αντίστοιχα (Εικόνα 4). Ωστόσο, κανένα λέιζερ δεν μπορεί να παράγει μια εντελώς Gaussian ή εντελώς επίπεδη δέσμη με προφίλ δέσμης που ταιριάζει ακριβώς με τη χαρακτηριστική λειτουργία του, επειδή υπάρχει πάντα ένα ορισμένο ποσό καυτών σημείων ή διακυμάνσεων μέσα στο λέιζερ. Η διαφορά μεταξύ του πραγματικού προφίλ δέσμης ενός λέιζερ και του ιδανικού προφίλ δέσμης περιγράφεται συχνά από μετρήσεις που περιλαμβάνουν τον παράγοντα M2 του λέιζερ
Gaussian και επίπεδα Προφίλ δοκού κορυφής
Σχήμα 4: Σύγκριση των προφίλ δέσμης μιας δοκού Gauss και μιας επίπεδης κορυφής δέσμης ίσης μέσης ισχύος ή έντασης δείχνει ότι η μέγιστη ένταση της δοκού Gauss είναι διπλάσια από αυτήν της επίπεδης κορυφής
10: Απόκλιση (τυπικές μονάδες: mrad)
Ενώ οι ακτίνες λέιζερ θεωρούνται συχνά ευθυγραμμισμένες, περιέχουν πάντα μια ορισμένη ποσότητα απόκλισης, η οποία περιγράφει τον βαθμό στον οποίο η δέσμη αποκλίνει σε αυξανόμενες αποστάσεις από τη μέση της δέσμης λέιζερ λόγω της περίθλασης. Σε εφαρμογές μεγάλων αποστάσεων εργασίας, όπως τα συστήματα LiDAR, όπου τα αντικείμενα μπορεί να βρίσκονται εκατοντάδες μέτρα μακριά από το σύστημα λέιζερ, η απόκλιση γίνεται ένα ιδιαίτερα σημαντικό ζήτημα. Η απόκλιση δέσμης ορίζεται συχνά από τη μισή γωνία του λέιζερ και η απόκλιση μιας δέσμης Gauss (0) ορίζεται ως:
W είναι το μήκος κύματος του λέιζερ και w0 είναι η μέση δέσμης του λέιζερ
Τελικές παράμετροι συστήματος
Αυτές οι τελικές παράμετροι περιγράφουν την απόδοση του συστήματος λέιζερ στην έξοδο
11: Μέγεθος σημείου (τυπικές μονάδες: χμ)
Το μέγεθος κηλίδας μιας εστιασμένης δέσμης λέιζερ περιγράφει τη διάμετρο της δέσμης στην εστία του συστήματος φακών εστίασης. Σε πολλές εφαρμογές όπως η επεξεργασία υλικού και η ιατρική χειρουργική, ο στόχος είναι να ελαχιστοποιηθεί το μέγεθος της κηλίδας. Αυτό μεγιστοποιεί την πυκνότητα ισχύος και επιτρέπει τη δημιουργία ιδιαίτερα λεπτών χαρακτηριστικών (Εικόνα 5). Οι ασφαιρικοί φακοί χρησιμοποιούνται συχνά αντί των παραδοσιακών σφαιρικών φακών για τη μείωση των σφαιρικών εκτροπών και την παραγωγή μικρότερων μεγεθών εστιακών κηλίδων. Ορισμένοι τύποι συστημάτων λέιζερ δεν εστιάζουν τελικά το λέιζερ σε ένα σημείο, οπότε αυτή η παράμετρος δεν ισχύει.
Εικόνα 5: Πειράματα μικροκατεργασίας με λέιζερ στο Ιταλικό Ινστιτούτο Τεχνολογίας δείχνουν 10-πλάσια αύξηση στην απόδοση αφαίρεσης σε ένα σύστημα διάτρησης λέιζερ νανοδευτερόλεπτου όταν το μέγεθος της κηλίδας μειώνεται από 220um σε 9um με σταθερό ρυθμό ροής
12: Απόσταση εργασίας (τυπικές μονάδες: um έως m)
Η απόσταση εργασίας ενός συστήματος λέιζερ τυπικά ορίζεται ως η φυσική απόσταση από το τελικό οπτικό στοιχείο (συνήθως ένας φακός εστίασης) μέχρι το αντικείμενο ή την επιφάνεια στην οποία εστιάζει το λέιζερ. Ορισμένες εφαρμογές, όπως τα ιατρικά λέιζερ, συνήθως επιδιώκουν να ελαχιστοποιήσουν την απόσταση εργασίας, ενώ άλλες, όπως η τηλεπισκόπηση, συνήθως στοχεύουν στη μεγιστοποίηση της απόστασης εργασίας τους.
