Der er en bred vifte af almindelige lasersystemer til en række anvendelser, herunder materialebehandling, laserkirurgi og fjernmåling, men mange lasersystemer deler fælles nøgleparametre. Etablering af fælles terminologi for disse parametre forhindrer fejlkommunikation, og forståelsen af dem giver mulighed for korrekt specifikation af lasersystemer og komponenter for at opfylde applikationskravene.
Figur 1: Skematisk af et almindeligt lasermaterialebehandlingssystem, hvor hver af de 10 nøgleparametre i et lasersystem er repræsenteret med et tilsvarende tal
Grundlæggende parametre
Følgende grundlæggende parametre er de mest grundlæggende begreber i et lasersystem og er afgørende for at forstå de mere avancerede punkter.
1: Bølgelængde (typiske enheder: nm til µm)
Bølgelængden af en laser beskriver den rumlige frekvens af den udsendte lysbølge. Den optimale bølgelængde for en given anvendelse er meget afhængig af applikationen. Forskellige materialer vil have unikke bølgelængdeafhængige absorptionsegenskaber i materialebearbejdning, hvilket resulterer i forskellige interaktioner med materialet. Tilsvarende vil atmosfærisk absorption og interferens påvirke visse bølgelængder forskelligt ved fjernmåling, og forskellige komplekser vil absorbere visse bølgelængder forskelligt i medicinske laserapplikationer. Kortere bølgelængde lasere og laseroptik letter skabelsen af små, præcise funktioner med minimal perifer opvarmning, fordi brændpunktet er mindre. De er dog typisk dyrere og lettere beskadiget end lasere med længere bølgelængde.
2: Effekt og energi (typiske enheder: W eller J)
Effekten af en laser måles i watt (W) og bruges til at karakterisere den optiske effekt af en kontinuerlig bølge (CW) laser eller den gennemsnitlige effekt af en pulseret laser. Pulserende lasere er også karakteriseret ved deres pulsenergi, som er proportional med den gennemsnitlige effekt og omvendt proportional med laserens gentagelseshastighed (figur 2). Energi måles i joule (J).
Figur 2: Visuel repræsentation af forholdet mellem pulsenergi, gentagelseshastighed og gennemsnitseffekt af en pulseret laser
Højere effekt- og energilasere er typisk dyrere, og de producerer mere spildvarme. At opretholde høj strålekvalitet bliver også vanskeligere med øget kraft og energi.
3: Pulsvarighed (typiske enheder: fs til ms)
Lasers pulsvarighed eller pulsbredde er sædvanligvis defineret som den fulde bredde ved halvmaksimum (FWHM) af laserlyseffekten kontra tid (figur 3). Ultrahurtige lasere tilbyder mange fordele i en række applikationer, herunder præcisionsmaterialebehandling og medicinske lasere, og er karakteriseret ved korte pulsvarigheder på omkring picosekunder (10-12 sekunder) til attosekunder (10-18 sekunder).
Figur 3: Pulserende laserimpulser adskilt i tid af den reciproke af gentagelseshastigheden
4: Gentagelseshastighed (typiske enheder: Hz til MHz)
Gentagelseshastigheden eller pulsgentagelsesfrekvensen for en pulseret laser beskriver antallet af pulser udsendt pr. sekund eller det omvendte tidspulsinterval (figur 3). Som tidligere nævnt er gentagelseshastigheden omvendt proportional med pulsenergien og direkte proportional med den gennemsnitlige effekt. Mens gentagelseshastigheden normalt afhænger af laserforstærkningsmediet, kan den variere i mange tilfælde. Højere gentagelseshastigheder resulterer i kortere termiske afslapningstider ved overfladen af laseroptikken og ved det endelige fokuspunkt, hvilket fører til hurtigere materialeopvarmning.
5: Kohærenslængde (typiske enheder: millimeter til meter)
Lasere er kohærente, hvilket betyder, at der er en fast sammenhæng mellem faseværdierne af det elektriske felt på forskellige tidspunkter eller steder. Dette skyldes, at i modsætning til de fleste andre typer lyskilder produceres lasere ved exciteret emission. Kohærens forringes gennem hele udbredelsesprocessen, og en lasers kohærenslængde definerer en afstand, over hvilken laserens tidsmæssige sammenhæng opretholdes i en vis kvalitet.
6: Polarisering
Polarisering definerer retningen af det elektriske felt af en lysbølge, som altid er vinkelret på udbredelsesretningen. I de fleste tilfælde vil laseren være lineært polariseret, hvilket betyder, at det udsendte elektriske felt altid peger i samme retning. Upolariseret lys vil have et elektrisk felt, der peger i mange forskellige retninger. Graden af polarisering udtrykkes sædvanligvis som forholdet mellem lysets brændvidder i to ortogonalt polariserede tilstande, f.eks. 100:1 eller 500:1.
Stråleparametre
Følgende parametre karakteriserer formen og kvaliteten af en laserstråle.
7: Bjælkediameter (typiske enheder: mm til cm)
Strålediameteren af en laser karakteriserer strålens laterale forlængelse eller dens fysiske dimension vinkelret på udbredelsesretningen. Det er normalt defineret som 1/e2-bredden, som nås af stråleintensiteten ved 1/e2 (≈ 13,5%). Ved 1/e2-punktet falder den elektriske feltstyrke til 1/e (≈ 37%). Jo større strålediameteren er, jo større skal optikken og hele systemet være for at undgå trunkering af strålen, hvilket øger omkostningerne. En reduktion i strålediameteren øger imidlertid effekt-/energitætheden, hvilket også kan være skadeligt.
8: Effekt eller energitæthed (typiske enheder: W/cm2 til MW/cm2 eller µJ/cm2 til J/cm2)
Strålediameteren relaterer sig til laserstrålens effekt/energitæthed eller den optiske effekt/energi pr. arealenhed. Jo større strålediameteren er, jo lavere effekt/energitæthed har en stråle med konstant effekt eller energi. Ved systemets endelige output (f.eks. ved laserskæring eller svejsning) er en høj effekt/energitæthed ofte ønskelig, men i systemet er en lav effekt/energikoncentration ofte fordelagtig for at forhindre laserinduceret skade. Dette forhindrer også ionisering af luften i strålens område med høj effekt/energitæthed. Blandt andet af disse grunde bruges laserstråleekspandere ofte til at øge diameteren og derved reducere effekt/energitætheden inde i lasersystemet. Man skal dog passe på ikke at udvide strålen så meget, at strålen skjules fra åbningerne i systemet, hvilket medfører spild af energi og potentiel skade.
9: Stråleprofil
Stråleprofilen af en laser beskriver den fordelte intensitet i stråletværsnittet. Almindelige bjælkeprofiler omfatter gaussiske og fladtop-bjælker, hvis bjælkeprofiler følger henholdsvis Gauss- og fladtop-funktionerne (figur 4). Ingen laser kan dog producere en helt gaussisk eller helt flad topstråle med en stråleprofil, der nøjagtigt matcher dens egenfunktion, fordi der altid er et vist antal hot spots eller fluktuationer inde i laseren. Forskellen mellem den faktiske stråleprofil for en laser og den ideelle stråleprofil beskrives sædvanligvis af en metrik, der inkluderer laserens M2-faktor.
Figur 4: En sammenligning af stråleprofilen for en Gauss-stråle med samme gennemsnitlige effekt eller intensitet og en flad-top-stråle viser, at spidsintensiteten af Gauss-strålen er det dobbelte af den flade-top-stråle.
10: Divergens (typiske enheder: mrad)
Selvom laserstråler normalt betragtes som kollimerede, indeholder de altid en vis grad af divergens, som beskriver i hvilken grad strålen divergerer i stigende afstand fra laserens stråletalje på grund af diffraktion. I applikationer med lange driftsafstande, såsom LIDAR-systemer, hvor objekter kan være hundreder af meter væk fra lasersystemet, bliver divergens et særligt vigtigt spørgsmål. Stråledivergens er normalt defineret af laserens halve vinkel, og divergensen (θ) af en Gauss-stråle er defineret som:
Billede.
λ er laserens bølgelængde, og w0 er laserens stråletalje.
Endelige systemparametre
Disse sidste parametre beskriver lasersystemets ydeevne ved output.
11: Pletstørrelse (typisk enhed: µm)
Punktstørrelsen af en fokuseret laserstråle beskriver strålediameteren ved fokuspunktet for fokuslinsesystemet. I mange applikationer, såsom materialebehandling og medicinsk kirurgi, er målet at minimere pletstørrelsen. Dette maksimerer strømtætheden og tillader skabelsen af exceptionelt fine funktioner. Asfæriske linser bruges ofte i stedet for traditionelle sfæriske linser for at minimere sfærisk aberration og producere mindre brændpunktsstørrelser. Nogle typer lasersystemer fokuserer i sidste ende ikke laseren til stedet, i hvilket tilfælde denne parameter ikke gælder.
12: Arbejdsafstand (typiske enheder: µm til m)
Arbejdsafstanden for et lasersystem er normalt defineret som den fysiske afstand fra det endelige optiske element (normalt fokuslinsen) til objektet eller overfladen, som laseren er fokuseret på. Visse applikationer, såsom medicinske lasere, søger typisk at minimere arbejdsafstanden, mens andre applikationer, såsom fjernmåling, typisk sigter mod at maksimere deres arbejdsafstandsområde.
