Er is een breed scala aan lasersystemen voor algemene doeleinden voor verschillende toepassingen, zoals materiaalverwerking, laserchirurgie en teledetectie, maar veel lasersystemen delen gemeenschappelijke sleutelparameters. Het vaststellen van gemeenschappelijke terminologie voor deze parameters voorkomt misverstanden, en het begrijpen ervan maakt een juiste specificatie van lasersystemen en componenten mogelijk om aan de toepassingsvereisten te voldoen.
Basisparameters
De volgende basisparameters zijn de meest fundamentele concepten van een lasersysteem en zijn essentieel voor het begrijpen van de meer geavanceerde punten.
1: Golflengte (typische eenheden: nm tot µm)
De golflengte van een laser beschrijft de ruimtelijke frequentie van de uitgezonden lichtgolf. De optimale golflengte voor een gegeven gebruiksscenario is sterk afhankelijk van de toepassing. Bij materiaalverwerking hebben verschillende materialen unieke golflengte-afhankelijke absorptie-eigenschappen die resulteren in verschillende interacties met het materiaal. Op dezelfde manier kunnen bij teledetectie atmosferische absorptie en interferentie bepaalde golflengten op een andere manier beïnvloeden, en bij medische lasertoepassingen kunnen verschillende complexen bepaalde golflengten op een andere manier absorberen. Lasers met een kortere golflengte en laseroptiek helpen kleine, nauwkeurige kenmerken te creëren met minimale perifere verwarming omdat het brandpunt kleiner is. Ze zijn echter doorgaans duurder en gemakkelijker beschadigd dan lasers met een langere golflengte.
2: Vermogen en energie (typische eenheden: W of J)
Het vermogen van een laser wordt gemeten in watt (W) en wordt gebruikt om het optische uitgangsvermogen van een continue golflaser (CW) of het gemiddelde vermogen van een gepulseerde laser te beschrijven. Gepulseerde lasers worden ook gekenmerkt door hun pulsenergie, die evenredig is met het gemiddelde vermogen en omgekeerd evenredig met de herhalingssnelheid van de laser (Figuur 2). De energie wordt gemeten in joule (J).
Lasers met een hoger vermogen en meer energie zijn doorgaans duurder en produceren meer afvalwarmte. Het behouden van een hoge straalkwaliteit wordt ook moeilijker naarmate het vermogen en de energie toenemen.
3: Pulsduur (typische eenheden: fs tot ms)
De laserpulsduur of pulsbreedte wordt gewoonlijk gedefinieerd als de volledige breedte op halfmaximum (FWHM) van het laserlichtvermogen versus de tijd (Figuur 3). Ultrasnelle lasers bieden veel voordelen in een reeks toepassingen, waaronder precisiemateriaalverwerking en medische lasers, en worden gekenmerkt door korte pulsduur van ongeveer picoseconden (10-12 seconden) tot attoseconden (10-18 seconden).
4: Herhalingsfrequentie (typische eenheden: Hz tot MHz)
De herhalingsfrequentie of pulsherhalingsfrequentie van een gepulseerde laser beschrijft het aantal pulsen dat per seconde wordt uitgezonden of het omgekeerde tijdpulsinterval (Figuur 3). Zoals eerder vermeld is de herhalingssnelheid omgekeerd evenredig met de pulsenergie en direct evenredig met het gemiddelde vermogen. Hoewel de herhalingssnelheid gewoonlijk afhankelijk is van het laserversterkingsmedium, kan deze in veel gevallen variëren. Hogere herhalingsfrequenties resulteren in kortere thermische relaxatietijden aan het optische oppervlak van de laser en bij de uiteindelijke focus, wat leidt tot snellere materiaalverwarming.
5: Coherentielengte (typische eenheden: millimeters tot meters)
Lasers zijn coherent, wat betekent dat er een vaste relatie bestaat tussen de fasewaarden van het elektrische veld op verschillende tijdstippen of locaties. Dit komt omdat lasers, in tegenstelling tot de meeste andere soorten lichtbronnen, worden geproduceerd door aangeslagen emissie. De coherentie neemt af tijdens het transmissieproces, en de coherentielengte van de laser bepaalt de afstand waarover de temporele coherentie van de laser een bepaalde kwaliteit behoudt.
6: Polarisatie
Polarisatie bepaalt de richting van het elektrische veld van een lichtgolf, die altijd loodrecht staat op de voortplantingsrichting. In de meeste gevallen zal de laser lineair gepolariseerd zijn, wat betekent dat het uitgezonden elektrische veld altijd in dezelfde richting wijst. Niet-gepolariseerd licht heeft een elektrisch veld dat in veel verschillende richtingen wijst. Polarisatie wordt gewoonlijk uitgedrukt als de verhouding van de brandpuntsafstanden van licht in twee orthogonaal gepolariseerde toestanden, bijvoorbeeld 100:1 of 500:1.
Straalparameters
De volgende parameters karakteriseren de vorm en kwaliteit van een laserstraal.
7: Balkdiameter (typische eenheden: mm tot cm)
De straaldiameter van een laser karakteriseert de laterale uitbreiding van de straal, of de fysieke afmeting loodrecht op de voortplantingsrichting. Deze wordt gewoonlijk gedefinieerd als de 1/e2-breedte, dwz de breedte die wordt bereikt door de straalintensiteit bij 1/e2 (≈13,5%). Op het 1/e2-punt daalt de elektrische veldsterkte tot 1/e (≈37%). Hoe groter de straaldiameter, hoe groter de optiek en het hele systeem moeten zijn om bundelafkapping te voorkomen, wat de kosten verhoogt. Een afname van de straaldiameter vergroot echter de vermogens-/energiedichtheid, wat ook nadelig is.
8: Vermogens- of energiedichtheid (typische eenheden: W/cm2 tot MW/cm2 of µJ/cm2 tot J/cm2)
De straaldiameter heeft betrekking op de vermogens-/energiedichtheid van de laserbundel of het optische vermogen/energie per oppervlakte-eenheid. Hoe groter de straaldiameter, hoe lager de vermogens-/energiedichtheid van de straal met constant vermogen of constante energie. Bij de uiteindelijke output van het systeem (bijvoorbeeld bij lasersnijden of lassen) is doorgaans een hoge vermogens-/energiedichtheid vereist, maar binnen het systeem is een lage vermogens-/energieconcentratie meestal gunstig bij het voorkomen van door laser veroorzaakte schade. Dit voorkomt ook luchtionisatie in het gebied met hoge vermogens-/energiedichtheid van de straal. Om deze redenen worden laserstraalexpanders vaak gebruikt om de diameter te vergroten en zo de vermogens-/energiedichtheid binnen het lasersysteem te verminderen. Er moet echter op worden gelet dat de straal niet zo groot wordt uitgestrekt dat de straal wordt verduisterd door de opening van het systeem, wat leidt tot energieverspilling en mogelijke schade.
9: Straalprofiel
Het straalprofiel van een laser beschrijft de verdeelde intensiteit in de straaldoorsnede. Veel voorkomende liggerprofielen omvatten Gaussiaanse en platte liggers, die respectievelijk de Gaussiaanse en platte topfuncties volgen (Afbeelding 4). Omdat er echter altijd een bepaald aantal hotspots of fluctuaties in de laser aanwezig zijn, kan geen enkele laser een volledig Gaussiaanse of volledig afgeplatte straal produceren die precies overeenkomt met zijn eigenfunctie. Het verschil tussen het werkelijke straalprofiel van een laser en het ideale straalprofiel wordt gewoonlijk beschreven door een metriek die de M2-factor van de laser bevat.
10: Divergentie (typische eenheid: mrad)
Hoewel laserbundels over het algemeen als gecollimeerd worden beschouwd, bevatten ze altijd een bepaalde mate van divergentie, die de mate beschrijft waarin de bundel als gevolg van diffractie op steeds grotere afstanden van de taille van de laserbundel divergeert. In toepassingen met lange werkafstanden, zoals LIDAR-systemen, waarbij objecten zich honderden meters van het lasersysteem kunnen bevinden, wordt divergentie een bijzonder belangrijk probleem. Bundeldivergentie wordt gewoonlijk gedefinieerd in termen van de halve hoek van de laser, en de divergentie (θ) van een Gauss-bundel wordt gedefinieerd als.
λ is de golflengte van de laser en w0 is de bundeltaille van de laser.
Laatste systeemparameters
Deze laatste parameters beschrijven de prestaties van het lasersysteem bij uitvoer.
11: Spotgrootte (typische eenheid: µm)
De vlekgrootte van een gefocusseerde laserstraal beschrijft de straaldiameter op het brandpunt van het focusserende lenssysteem. Bij veel toepassingen, zoals materiaalverwerking en medische chirurgie, is het doel de vlekgrootte te minimaliseren. Dit maximaliseert de vermogensdichtheid en maakt het mogelijk uitzonderlijk fijne kenmerken te creëren (Figuur 5). Asferische lenzen worden vaak gebruikt in plaats van conventionele sferische lenzen om sferische aberratie te minimaliseren en kleinere brandpuntsgroottes te produceren. Bij sommige soorten lasersystemen wordt de laser uiteindelijk niet op de plek gefocusseerd, in welk geval deze parameter niet van toepassing is.
12: Werkafstand (typische eenheid: µm tot m)
De werkafstand van een lasersysteem wordt over het algemeen gedefinieerd als de fysieke afstand van het uiteindelijke optische element (meestal een focusseerlens) tot het object of oppervlak waarop de laser is scherpgesteld. Sommige toepassingen, zoals medische lasers, proberen vaak de werkafstand te minimaliseren, terwijl andere toepassingen, zoals teledetectie, er vaak naar streven hun werkafstandbereik te maximaliseren.
