Существует широкий спектр распространенных лазерных систем, используемых в различных приложениях, таких как обработка материалов, лазерная хирургия и дистанционное зондирование, но многие лазерные системы имеют общие ключевые параметры. Установление общей терминологии для этих параметров предотвращает ошибки коммуникации, а их понимание позволяет правильно специфицировать лазерную систему и компоненты для соответствия требованиям приложения.
Рисунок 1: Принципиальная схема общей системы лазерной обработки материалов, где каждый из 10 ключевых параметров лазерной системы представлен соответствующим числом.
Основные параметры
Следующие основные параметры являются наиболее базовыми концепциями лазерных систем, а также имеют решающее значение 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 сильно зависит от области применения. Различные материалы будут обладать уникальными свойствами поглощения, зависящими от длины волны, при обработке материалов, что приведет к разному взаимодействию с материалом. Аналогично, атмосферное поглощение и помехи будут по-разному влиять на определенные длины волн при дистанционном зондировании, а различные комплексы будут по-разному поглощать определенные длины волн в медицинских лазерных приложениях. Более короткие длины волн лазеров и лазерная оптика полезны для создания небольших и точных элементов с минимальным периферийным нагревом, поскольку фокусное пятно меньше. Однако они, как правило, дороже и более подвержены повреждениям, чем более длинные длины волн лазеров.
2: Мощность и энергия (типичные единицы: Вт или Дж)
Мощность лазера измеряется в ваттах (Вт) и используется для описания выходной оптической мощности непрерывного лазера (CW) или средней мощности импульсного лазера. Импульсные лазеры также характеризуются энергией импульса, которая пропорциональна средней мощности и обратно пропорциональна частоте повторения лазера (рисунок 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, как правило, дороже и генерируют больше отработанного тепла. Поддержание высокого качества луча также становится все более сложным по мере увеличения мощности и энергии.
3: Длительность импульса (типичные единицы: от фемтосекунды до миллисекунды)
Длительность лазерного импульса или ширина импульса обычно определяется как полная ширина на половине максимума (FWHM) оптической мощности лазера в зависимости от времени (рисунок 3). Сверхбыстрые лазеры предлагают множество преимуществ в ряде приложений, включая прецизионную обработку материалов и медицинские лазеры. Они характеризуются короткими длительностями импульса порядка пикосекунд (10-12 секунд) до аттосекунд (10-18 и менее
P(W)
1/Частота повторения
Время покупки публичного аккаунта
Рисунок 3: Импульсы импульсного лазера разделены во времени величиной, обратной частоте повторения.
4: Частота повторения (типичные единицы: от Гц до МГц)
Частота повторения или частота повторения импульсов импульсного лазера описывает количество импульсов, испускаемых в секунду, или обратный интервал импульса времени (рисунок 3). Как упоминалось ранее, частота повторения обратно пропорциональна энергии импульса и прямо пропорциональна средней мощности. Хотя частота повторения, как правило, зависит от среды усиления лазера, во многих случаях она может меняться. Более высокие частоты повторения приводят к более коротким временам тепловой релаксации на поверхности оптики лазера и в конечном фокусе, что приводит к более быстрому нагреву материала.
5: Длина когерентности (типичные единицы: от миллиметров до метров)
Лазер когерентен, что означает, что электрические токи в разное время или в разных местах когерентны. Существует фиксированная связь между значениями фазы поля. Это связано с тем, что лазеры, в отличие от большинства других типов источников света, производятся путем вынужденного излучения. Длина когерентности определяет расстояние, на котором временная когерентность лазерного света остается постоянной на протяжении всего распространения лазерного света, без ухудшения в ходе процесса.
6: Поляризация
Поляризация определяет направление электрического поля световой волны, «оно всегда перпендикулярно направлению распространения. В большинстве случаев лазерный свет будет линейно поляризован, что означает, что излучаемое электрическое поле всегда направлено в одном и том же направлении. Неполяризованный свет будет иметь электрическое поле, направленное во многих различных направлениях. Степень поляризации обычно выражается как отношение оптической мощности двух ортогональных состояний поляризации, например 100:1 или 500:1.
Параметры луча
Форму и качество лазерного луча характеризуют следующие параметры.
7: Диаметр луча (типичные единицы: мм–см)
Диаметр луча лазера характеризует боковое расширение луча или его физический размер перпендикулярно направлению распространения. Обычно он определяется как ширина 1/e2, которая является шириной интенсивности луча до 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 пагубным.
8: Мощность или плотность энергии (типичные единицы: от Вт/см2 до МВт/см2 или от мкДж/см2 до Дж/см2)
Диаметр луча связан с мощностью/плотностью энергии лазерного луча. Плотность энергии или количество оптической мощности/энергии на единицу площади. Чем больше диаметр луча, тем ниже мощность/плотность энергии луча для постоянной мощности или энергии. Высокая мощность/плотность энергии часто желательна на конечном выходе системы (например, при лазерной резке или сварке), но низкие концентрации мощности/энергии часто полезны внутри системы для предотвращения повреждений, вызванных лазером. Это также предотвращает ионизацию воздуха областями высокой мощности/плотности энергии луча. По этим причинам, среди прочего, часто используются расширители лазерного луча для увеличения диаметра и, таким образом, уменьшения мощности/плотности энергии внутри лазерной системы. Однако необходимо соблюдать осторожность, чтобы не расширять луч слишком сильно, чтобы он не блокировал отверстия в системе, что приводит к потере энергии и потенциальному повреждению.
9: Профиль луча
Профиль луча лазера описывает распределенную интенсивность по поперечному сечению луча. Обычные профили луча включают гауссовы лучи и лучи с плоской вершиной, чьи профили луча следуют гауссовой функции и функции с плоской вершиной соответственно (рисунок 4). Однако ни один лазер не может создать полностью гауссов или полностью плоский луч с профилем луча, который точно соответствует его характеристической функции, поскольку внутри лазера всегда есть определенное количество горячих точек или флуктуаций. Разница между фактическим профилем луча лазера и идеальным профилем луча часто описывается метриками, включая фактор M2 лазера
Профили гауссовых и плоских верхних балок
Рисунок 4: Сравнение профилей гауссова пучка и пучка с плоской вершиной одинаковой средней мощности или интенсивности показывает, что пиковая интенсивность гауссова пучка в два раза больше, чем у пучка с плоской вершиной.
10: Дивергенция (типичные единицы: мрад)
Хотя лазерные лучи часто считаются коллимированными, они всегда содержат определенную величину расходимости, которая описывает степень, в которой луч расходится на увеличивающихся расстояниях от перетяжки лазерного луча из-за дифракции. В приложениях с большим рабочим расстоянием, таких как системы LiDAR, где объекты могут находиться на расстоянии сотен метров от лазерной системы, расходимость становится особенно важной проблемой. Расходимость луча часто определяется половинным углом лазера, а расходимость гауссова луча (0) определяется как:
W — длина волны лазера, а w0 — перетяжка луча лазера.
Конечные параметры системы
Эти конечные параметры описывают производительность лазерной системы на выходе.
11: Размер пятна (типичные единицы: 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 особенно тонкие элементы (рисунок 5). Асферические линзы часто используются вместо традиционных сферических линз для уменьшения сферических аберраций и создания меньших размеров фокусного пятна. Некоторые типы лазерных систем в конечном итоге не фокусируют лазер в пятно, и в этом случае этот параметр не применяется.
Рисунок 5: Эксперименты по лазерной микрообработке в Итальянском технологическом институте показывают 10-кратное увеличение эффективности абляции в системе наносекундного лазерного сверления при уменьшении размера пятна с 220 мкм до 9 мкм при постоянной скорости потока.
12: Рабочее расстояние (типичные 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, такие как дистанционное зондирование, обычно стремятся максимизировать диапазон рабочего расстояния.
