Существует широкий спектр лазерных систем общего назначения для различных применений, таких как обработка материалов, лазерная хирургия и дистанционное зондирование, но многие лазерные системы имеют общие ключевые параметры. Установление общей терминологии для этих параметров предотвращает недопонимание, а их понимание позволяет правильно определить лазерные системы и компоненты в соответствии с требованиями применения.
Основные параметры
Следующие основные параметры представляют собой наиболее фундаментальные концепции лазерной системы и необходимы 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 случая использования во многом зависит от приложения. При обработке материалов разные материалы обладают уникальными свойствами поглощения, зависящими от длины волны, что приводит к различным взаимодействиям с материалом. Аналогичным образом, при дистанционном зондировании атмосферное поглощение и помехи могут по-разному влиять на определенные длины волн, а в медицинских лазерных приложениях различные комплексы могут по-разному поглощать определенные длины волн. Лазеры с более короткой длиной волны и лазерная оптика помогают создавать небольшие точные детали с минимальным периферийным нагревом, поскольку фокусное пятно меньше. Однако они обычно дороже и их легче повредить, чем лазеры с большей длиной волны.
2: Мощность и энергия (типовые единицы: Вт или Дж)
Мощность лазера измеряется в ваттах (Вт) и используется для описания выходной оптической мощности лазера непрерывного действия (CW) или средней мощности импульсного лазера. Импульсные лазеры характеризуются также энергией импульса, которая пропорциональна средней мощности и обратно пропорциональна частоте следования лазера (рис. 2). Энергия измеряется в джоулях (Дж).
Лазеры с большей мощностью и энергией обычно дороже и выделяют больше тепла. Поддержание высокого качества луча также становится сложнее с увеличением мощности и энергии.
3: Длительность импульса (типовые единицы: от фс до мс)
Длительность лазерного импульса или ширина импульса обычно определяется как полная ширина на полувысоте (FWHM) мощности лазерного света в зависимости от времени (рис. 3). Сверхбыстрые лазеры предлагают множество преимуществ в ряде применений, включая прецизионную обработку материалов и медицинские лазеры, и характеризуются короткой длительностью импульса от пикосекунд (10-12 секунд) до аттосекунд (10-18 секунд).
4: Частота повторения (типичные единицы измерения: от Гц до МГц)
Частота повторения или частота повторения импульсов импульсного лазера описывает количество импульсов, излучаемых в секунду, или интервал обратного времени импульса (рис. 3). Как говорилось ранее, частота повторения обратно пропорциональна энергии импульса и прямо пропорциональна средней мощности. Хотя частота повторения обычно зависит от усиливающей среды лазера, во многих случаях она может варьироваться. Более высокая частота повторения приводит к сокращению времени тепловой релаксации на оптической поверхности лазера и в конечном фокусе, что приводит к более быстрому нагреву материала.
5: Длина когерентности (типичные единицы: от миллиметров до метров)
Лазеры когерентны, что означает, что существует фиксированная связь между значениями фаз электрического поля в разное время и в разных местах. Это связано с тем, что, в отличие от большинства других типов источников света, лазеры производятся путем возбужденного излучения. Когерентность уменьшается на протяжении всего процесса передачи, а длина когерентности лазера определяет расстояние, на котором временная когерентность лазера остается на определенном уровне.
6: Поляризация
Поляризация определяет направление электрического поля световой волны, которое всегда перпендикулярно направлению распространения. В большинстве случаев лазер будет линейно поляризован, а это означает, что излучаемое электрическое поле всегда направлено в одном и том же направлении. Неполяризованный свет будет иметь электрическое поле, направленное в разных направлениях. Поляризация обычно выражается как отношение фокусных расстояний света в двух ортогонально поляризованных состояниях, например 100:1 или 500:1.
Параметры луча
Следующие параметры характеризуют форму и качество лазерного луча.
7: Диаметр луча (типовые единицы: от мм до см)
Диаметр луча лазера характеризует боковое расширение луча или физический размер, перпендикулярный направлению распространения. Обычно ее определяют как ширину 1/e2, т.е. ширину, достигаемую интенсивностью луча при 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 пучка увеличивает плотность мощности/энергии, что также вредно.
8: Плотность мощности или энергии (типичные единицы измерения: от Вт/см2 до МВт/см2 или от мкДж/см2 до Дж/см2).
Диаметр луча относится к плотности мощности/энергии лазерного луча или оптической мощности/энергии на единицу площади. Чем больше диаметр луча, тем ниже плотность мощности/энергии луча постоянной мощности или постоянной энергии. На конечном выходе системы (например, при лазерной резке или сварке) обычно требуется высокая плотность мощности/энергии, но внутри системы низкая концентрация мощности/энергии обычно полезна для предотвращения повреждений, вызванных лазером. Это также предотвращает ионизацию воздуха в области высокой мощности/плотности энергии луча. По этим причинам, среди прочего, расширители лазерного луча часто используются для увеличения диаметра и, таким образом, снижения плотности мощности/энергии внутри лазерной системы. Однако необходимо соблюдать осторожность, чтобы не расширить луч настолько сильно, что он будет закрыт от апертуры системы, что приведет к потере энергии и потенциальному повреждению.
9: Профиль балки
Профиль луча лазера описывает распределенную интенсивность в поперечном сечении луча. Общие профили балок включают гауссовы балки и балки с плоской вершиной, которые соответствуют функциям Гаусса и плоской вершины соответственно (рис. 4). Однако, поскольку внутри лазера всегда имеется определенное количество горячих точек или флуктуаций, ни один лазер не может создать полностью гауссовский или полностью плоский луч, который точно соответствует его собственной функции. Разница между фактическим профилем луча лазера и идеальным профилем луча обычно описывается метрикой, содержащей коэффициент M2 лазера.
10: Дивергенция (типичная единица: мрад)
Хотя лазерные лучи обычно считаются коллимированными, они всегда содержат определенную степень расходимости, которая описывает степень, в которой луч расходится при увеличении расстояния от перетяжки лазерного луча из-за дифракции. В приложениях с большими рабочими расстояниями, таких как системы LIDAR, где объекты могут находиться в сотнях метров от лазерной системы, расхождение становится особенно важной проблемой. Расходимость луча обычно определяется как половина угла лазера, а расходимость (θ) гауссова луча определяется как.
λ — длина волны лазера, а w0 — перетяжка луча лазера.
Окончательные параметры системы
Эти окончательные параметры описывают производительность лазерной системы на выходе.
11: Размер пятна (типичная единица: 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 исключительно мелкие детали (рис. 5). Асферические линзы часто используются вместо обычных сферических линз, чтобы минимизировать сферическую аберрацию и уменьшить размер фокусного пятна. Некоторые типы лазерных систем в конечном итоге не фокусируют лазер на пятне, и в этом случае этот параметр неприменим.
12: Рабочее расстояние (типичная единица измерения: 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, часто стремятся минимизировать рабочее расстояние, в то время как другие приложения, такие как дистанционное зондирование, часто стремятся максимизировать диапазон рабочих расстояний.
