I forskellige applikationer såsom materialebehandling, laserkirurgi, fjernmåling og isærlaser mærkning, findes der en række almindelige lasersystemer. Mange af disse lasersystemer deler nøgleparametre. Etablering af universelle vilkår for disse parametre kan forhindre urigtige fremstillinger, og ved at forstå disse vilkår kan du specificere lasersystemer og komponenter korrekt for at opfylde dine applikationsbehov.
Fig. 1: Skematisk diagram af et almindeligt lasermaterialebehandlingssystem, hvor 10 nøgleparametre i lasersystemet er repræsenteret med tilsvarende tal
NO.1 Bølgelængde: Laserens bølgelængde er en grundlæggende parameter, der beskriver den rumlige frekvens af den udsendte lysbølge. Lasere med forskellige bølgelængder spiller roller i forskellige applikationer. Ved materialebearbejdning har forskellige materialer forskellige absorptionsegenskaber for forskellige bølgelængder, så interaktionen med materialet er også forskellig. Kortere bølgelængde lasere og laseroptik har fordele ved at skabe små og præcise funktioner med mindre perifer opvarmning. Disse enheder er dog normalt dyrere og mere skrøbelige sammenlignet med lasere med længere bølgelængder.
NR.2 Strøm: Lasereffekt måles normalt i watt (W), der bruges til at beskrive den optiske effekt af kontinuerlige bølgelasere (CW) eller den gennemsnitlige effekt af pulserende lasere. Det karakteristiske ved pulserende lasere er, at deres pulsenergi er direkte proportional med den gennemsnitlige effekt og omvendt proportional med gentagelseshastigheden. Enheden for energi er joule (J). Derfor kan pulsenergi beregnes ved at dividere den gennemsnitlige effekt med gentagelseshastigheden.
Fig. 2: en visuel repræsentation af forholdet mellem pulsenergi, gentagelseshastighed og gennemsnitlig effekt af pulserende lasere. Højere effekt- og energilasere er generelt dyrere og genererer mere spildvarme. Efterhånden som effekt og energi øges, bliver det mere og mere vanskeligt at opretholde høj strålekvalitet.
NR.3 Puls Varighed:En lasers pulsvarighed eller pulsbredde defineres normalt som den tid, det tager for laseren at nå halvdelen (FWHM) af sin maksimale optiske effekt. Ultrahurtige lasere er karakteriseret ved korte pulsvarigheder, der spænder fra picosekunder (10-12 sekunder) til attosekunder (10-18 sekunder).
Fig. 3: Pulsintervallet for en pulseret laser er det reciproke af gentagelseshastigheden
NR.4 Gentagelsesfrekvens:Gentagelseshastigheden af en pulseret laser beskriver antallet af udsendte impulser pr. sekund, som er den reciproke af tidsintervallet mellem impulserne. I modsætning til hvad der blev nævnt tidligere, er gentagelseshastigheden omvendt proportional med pulsenergien og direkte proportional med gennemsnitseffekten. En højere gentagelseshastighed betyder, at den termiske afslapningstid for det laseroptiske elements overflade og det endelige fokuserede punkt er kortere, så opvarmningshastigheden af materialet er hurtigere.
NR.5 Kohærens Længde:Lasere har kohærens, hvilket betyder, at der er en fast sammenhæng mellem faseværdierne af det elektriske felt på forskellige tidspunkter eller positioner. Denne egenskab stammer fra det faktum, at lasere produceres af stimuleret emission, som er anderledes end de fleste andre typer lyskilder. Selvom laserens kohærens gradvist vil svækkes under udbredelsen, definerer laserens kohærenslængde den afstand, hvor dens tidskohærens forbliver på et vist niveau.
NR.6 Polarisering:Polarisering definerer retningen af lysbølgens elektriske felt, som altid er vinkelret på udbredelsesretningen. I de fleste tilfælde er laseren lineært polariseret, det vil sige, at det udsendte elektriske felt altid peger i samme retning. I modsætning hertil vil ikke-polariseret lys producere elektriske felter, der peger i mange forskellige retninger. Polarisering udtrykkes normalt som forholdet mellem lysstyrke mellem to ortogonale polarisationstilstande, såsom 100:1 eller 500:1.
NR.7 Bjælkediameter: Laserens strålediameter beskriver strålens laterale forlængelse, det vil sige den fysiske størrelse vinkelret på udbredelsesretningen. Normalt er strålediameteren defineret ved 1/e² bredden, det vil sige det punkt, hvor stråleintensiteten når 1/e² (ca. 13,5 %) af den maksimale værdi. På dette tidspunkt falder den elektriske feltstyrke til 1/e (ca. 37%) af den maksimale værdi. Jo større strålediameteren er, desto større er de optiske komponenter og hele systemet nødvendigt for at undgå stråleklipning, hvilket resulterer i øgede omkostninger. Reduktion af strålediameteren vil dog øge effekt-/energitætheden, hvilket også vil medføre negative effekter.
NO.8 Strøm eller energitæthed: Effekt eller energitæthed refererer til stråleeffekten eller energien pr. arealenhed. Strålediameteren er tæt forbundet med effekt-/energitætheden. Når stråleeffekten eller energien forbliver konstant, jo større strålediameteren er, jo mindre er effekt-/energitætheden. Generelt er lasere med høj effekt-/energitæthed det ideelle slutresultat af systemet, såsom ved laserskæring eller lasersvejsning. Lasere med lav effekt/energitæthed er imidlertid gavnlige for systemet internt, kan reducere skader forårsaget af lasere og forhindre, at strålens område med høj effekt/høj energitæthed ioniserer luften.
NR.9 Bjælkeprofil: Bjælkeprofilen beskriver strålens fordelingsintensitet på tværsnittet. Almindelige bjælkeprofiler omfatter Gauss-bjælker og fladtop-bjælker, og deres bjælkeprofiler følger henholdsvis Gauss- og fladtop-funktioner. Men fordi der altid er et vist antal hot spots eller oscillationer inde i laseren, kan ingen laser producere en perfekt Gauss-stråle eller en perfekt flad-top-stråle, der perfekt matcher den ideelle stråleprofil. Forskellen mellem laserens faktiske stråleprofil og den ideelle stråleprofil beskrives normalt af flere måleindikatorer (inklusive laserens M²-faktor).
NR.10 Divergens:Selvom folk normalt tror, at laserstrålen er kollimeret lys, vil laserstrålen faktisk altid have en vis grad af divergens. Divergens beskriver spredningsgraden af strålen i forhold til stråletaljen efter langdistanceudbredelse på grund af diffraktion. I applikationer med lange arbejdsafstande, såsom laserradarsystemer, hvor målet og lasersystemet kan være hundreder af meter fra hinanden, bliver divergens et særligt vigtigt spørgsmål. Strålens divergens er normalt defineret af laserens halve vinkel, og divergensvinklen (θ) for den Gaussiske stråle er defineret som λ er laserbølgelængden, og w0 er laserstrålens talje.
NR.11 Pletstørrelse: Punktstørrelsen beskriver punktdiameteren af den fokuserede laserstråle, der er placeret i fokus for fokuseringslinsesystemet. I mange applikationer, såsom materialebehandling og medicinsk kirurgi, er vores mål at minimere pletstørrelsen. Dette kan maksimere effekttætheden og skabe særligt fine funktioner. Asfæriske linser bruges ofte til at erstatte traditionelle sfæriske linser for at reducere sfæriske aberrationer og reducere pletstørrelsen. I nogle typer lasersystemer vil laseren i sidste ende ikke fokusere laseren til en plet, så i dette tilfælde gælder denne parameter ikke.
Fig. 5: Forsøg med lasermikrobearbejdning ved det italienske teknologiske institut viser, at ablationseffektiviteten af et nanosekunds laserboresystem ti ganges, når pletstørrelsen reduceres fra 220 mikron til 9 mikron ved konstant flux.
