A különféle alkalmazásokban, például anyagfeldolgozásban, lézeres sebészetben és távérzékelésben használt általános lézerrendszerek széles skálája létezik, de sok lézerrendszernek közös kulcsparaméterei vannak. Az ezekre a paraméterekre vonatkozó közös terminológia kialakítása megakadályozza a kommunikációs hibákat, ezek megértése pedig lehetővé teszi a lézerrendszer és a komponensek megfelelő meghatározását az alkalmazási követelményeknek megfelelően.
1. ábra: Egy elterjedt lézeres anyagfeldolgozó rendszer sematikus diagramja, ahol a lézerrendszer mind a 10 kulcsparamétere egy megfelelő számmal van ábrázolva
Alapparaméterek
A következő alapvető paraméterek a lézerrendszerek legalapvetőbb fogalmai, és kritikusak a fejlettebb pontok megértéséhez is
1: Hullámhossz (tipikus mértékegységek: nm-től um-ig)
A lézer hullámhossza a kibocsátott fényhullám térbeli frekvenciáját írja le. Az adott használati esetre vonatkozó optimális hullámhossz nagymértékben alkalmazásfüggő. A különböző anyagok egyedi hullámhossz-függő abszorpciós tulajdonságokkal rendelkeznek az anyagfeldolgozás során, ami eltérő kölcsönhatást eredményez az anyaggal. Hasonlóképpen, a légköri abszorpció és az interferencia bizonyos hullámhosszakat eltérően érint a távérzékelésben, és a különböző komplexek eltérően nyelnek el bizonyos hullámhosszakat az orvosi lézeres alkalmazásokban. A rövidebb hullámhosszú lézerek és lézeroptikák előnyösek kis és precíz funkciók létrehozásához minimális perifériás fűtéssel, mivel a fókuszpont kisebb. Általában azonban drágábbak és érzékenyebbek a károsodásra, mint a hosszabb hullámhosszú lézerek.
2: Teljesítmény és energia (tipikus mértékegységek: W vagy J)
A lézer teljesítményét wattban (W) mérik, és a folyamatos hullámú (CW) lézer optikai kimeneti teljesítményének vagy az impulzuslézer átlagos teljesítményének leírására szolgál. Az impulzuslézereket impulzusenergiájuk is jellemzi, amely arányos az átlagos teljesítménnyel és fordítottan arányos a lézer ismétlési sebességével (2. ábra). Az energiát Joule-ban (J) mérik.
2. ábra: Az impulzusenergia, az ismétlési gyakoriság és az impulzuslézer átlagos teljesítménye közötti kapcsolat vizuális ábrázolása
A nagyobb teljesítményű és energiájú lézerek általában drágábbak, és több hulladékhőt termelnek. A távolsági fény minőségének fenntartása is egyre nehezebbé válik, ahogy a teljesítmény és az energia növekszik.
3: Impulzus időtartama (tipikus mértékegységek: fs-től ms-ig)
A lézerimpulzus-időtartamot vagy impulzusszélességet általában a lézer optikai teljesítményének idő függvényében mért teljes szélességeként (FWHM) határozzák meg (3. ábra). Az ultragyors lézerek számos előnyt kínálnak számos alkalmazásban, beleértve a precíziós anyagfeldolgozást és az orvosi lézereket. Jellemzőjük a rövid impulzus-időtartamok, amelyek pikoszekundum (10-12 másodperc) és attoszekundum (10-18 és kevesebb) nagyságrendűek
P(W)
1/Ismétlési arány
Nyilvános fiók vásárlási ideje
3. ábra: Az impulzuslézer impulzusait időben elválasztja az ismétlési gyakoriság inverze
4: Ismétlési gyakoriság (tipikus mértékegységek: Hz–Mhz)
Az impulzuslézer ismétlési gyakorisága vagy impulzusismétlési frekvenciája a másodpercenként kibocsátott impulzusok számát vagy az inverz idejű impulzusintervallumot írja le (3. ábra). Mint korábban említettük, az ismétlési sebesség fordítottan arányos az impulzusenergiával és egyenesen arányos az átlagos teljesítménnyel. Míg az ismétlési sebesség általában a lézer erősítési közegétől függ, sok esetben változhat. A nagyobb ismétlési sebesség rövidebb termikus relaxációs időt eredményez a lézeroptika felületén és a végső fókuszban, ami gyorsabb anyagmelegedést eredményez.
5: Koherencia hossz (tipikus mértékegységek: millimétertől méterig)
A lézer koherens, ami azt jelenti, hogy az elektromos áramok különböző időpontokban vagy helyeken koherensek. A mezőfázis értékek között rögzített kapcsolat van. Ennek az az oka, hogy a lézereket a legtöbb más típusú fényforrással ellentétben stimulált emisszió állítja elő. A koherencia-hossz meghatározza azt a távolságot, amelyen át a lézerfény időbeli koherenciája állandó marad a lézerfény terjedése során, anélkül, hogy a folyamat során romolna.
6: Polarizáció
A polarizáció határozza meg a fényhullám elektromos mezőjének irányát, "mindig merőleges a terjedési irányra. A legtöbb esetben a lézerfény lineárisan polarizált lesz, ami azt jelenti, hogy a kibocsátott elektromos tér mindig ugyanabba az irányba mutat. Polarizálatlan fény A polarizáció mértékét általában két merőleges polarizációs állapot optikai teljesítményének arányában fejezik ki, például 100:1 vagy 500:1.
Nyaláb paraméterei
A következő paraméterek jellemzik a lézersugár alakját és minőségét.
7: gerenda átmérője (tipikus mértékegységek: mm-től cm-ig)
A lézer sugárátmérője a sugár oldalirányú kiterjedését, illetve terjedési irányára merőleges fizikai méretét jellemzi. Általában 1/e2 szélességként határozzák meg, ami a nyaláb intenzitásának szélessége 1/e2-ig (=13,5%). Az 1/e2 pontnál az elektromos tér intenzitása 1/e-re (=37%) csökken. Minél nagyobb a nyaláb átmérője, annál nagyobbnak kell lennie az optikának és a teljes rendszernek, hogy elkerüljük a sugárcsonkolást, ami növeli a költségeket. A nyaláb átmérőjének csökkenése azonban növeli a teljesítmény/energiasűrűséget, ami szintén káros lehet.
8: Teljesítmény vagy energiasűrűség (tipikus mértékegységek: W/cm2 – MWicm2 vagy uJ/cm2 – J/cm2)
A sugár átmérője a lézersugár teljesítmény-/energiasűrűségétől függ. Energiasűrűség, vagy az egységnyi felületre jutó optikai teljesítmény/energia mennyisége. Minél nagyobb a nyaláb átmérője, annál kisebb a sugár teljesítmény/energiasűrűsége állandó teljesítmény vagy energia esetén. A rendszer végső kimenetén gyakran kívánatos a nagy teljesítmény/energiasűrűség (például lézeres vágásnál vagy hegesztésnél), de az alacsony teljesítmény/energia koncentráció gyakran előnyös a rendszeren belül a lézer okozta károsodások elkerülése érdekében. Ez azt is megakadályozza, hogy a sugár nagy teljesítmény/energiasűrűségű területei ionizálják a levegőt. Többek között ezen okok miatt gyakran használnak lézersugár-tágítókat az átmérő növelésére, és ezáltal a lézerrendszeren belüli teljesítmény/energiasűrűség csökkentésére. Ügyelni kell azonban arra, hogy a nyaláb ne tágítsa ki túlságosan úgy, hogy elzárja a rendszer nyílásaitól, ami energiapazarlást és potenciális károkat eredményez.
9: gerenda profil
A lézer sugárprofilja leírja a sugár keresztmetszetében megoszló intenzitást. A gyakori gerendaprofilok közé tartoznak a Gauss-gerendák és a lapos tetejű gerendák, amelyek gerendaprofiljai rendre a Gauss-függvényt, illetve a lapos tetejű függvényt követik (4. ábra). Egy lézer sem tud azonban teljesen Gauss-szerű vagy teljesen lapos tetejű sugarat előállítani, amelynek sugárprofilja pontosan megfelel a jellemző funkciójának, mert a lézer belsejében mindig van bizonyos mennyiségű forró pont vagy ingadozás. A lézer tényleges sugárprofilja és az ideális sugárprofil közötti különbséget gyakran metrikák írják le, beleértve a lézer M2 tényezőjét
Gauss és lapos felső gerenda profilok
4. ábra: Egy Gauss-nyaláb és egy azonos átlagos teljesítményű vagy intenzitású lapos felső gerenda nyalábprofiljának összehasonlítása azt mutatja, hogy a Gauss-nyaláb csúcsintenzitása kétszerese a lapos felső gerendaénak.
10: Divergencia (tipikus mértékegységek: mrad)
Míg a lézersugarakat gyakran kollimáltnak tekintik, ezek mindig tartalmaznak bizonyos mértékű eltérést, ami azt írja le, hogy a sugár milyen mértékben tér el a diffrakció miatt a lézersugár derekától növekvő távolságban. A nagy távolságú alkalmazásokban, például a LiDAR rendszerekben, ahol a tárgyak akár több száz méterre is lehetnek a lézerrendszertől, a divergencia különösen fontos kérdéssé válik. A sugár divergenciáját gyakran a lézer félszöge határozza meg, a Gauss-sugár divergenciáját (0) pedig a következőképpen határozzák meg:
W a lézer hullámhossza, w{0}} pedig a lézer sugárnyalábja
Végső rendszerparaméterek
Ezek a végső paraméterek leírják a lézerrendszer teljesítményét a kimeneten
11: Pontméret (jellemző mértékegységek: um)
A fókuszált lézersugár foltmérete leírja a sugár átmérőjét a fókuszáló lencserendszer fókuszában. Számos alkalmazásnál, mint például az anyagfeldolgozás és az orvosi sebészet, a cél a foltok méretének minimalizálása. Ez maximalizálja a teljesítménysűrűséget, és különösen finom jellemzők létrehozását teszi lehetővé (5. ábra). A hagyományos gömb alakú lencsék helyett gyakran aszférikus lencséket használnak a szférikus aberrációk csökkentésére és a kisebb fókuszpontméretek létrehozására. A lézerrendszerek bizonyos típusai végül nem fókuszálják a lézert egy pontra, ebben az esetben ez a paraméter nem érvényes.
5. ábra: Az Olasz Műszaki Intézetben végzett lézeres mikromegmunkálási kísérletek 10-szeres növekedést mutatnak az ablációs hatékonyságban egy nanoszekundumos lézerfúrórendszerben, ha a foltméretet 220 um-ról 9 um-ra csökkentik állandó áramlási sebesség mellett
12: Munkatávolság (tipikus mértékegységek: um-tól m-ig)
A lézerrendszer működési távolsága általában a végső optikai elem (általában egy fókuszáló lencse) és a tárgy vagy felület közötti fizikai távolság, amelyre a lézer fókuszál. Egyes alkalmazások, mint például az orvosi lézerek, általában a munkatávolság minimalizálására törekszenek, míg mások, például a távérzékelés, általában a munkatávolság tartományának maximalizálását célozzák.
