Terdapat pelbagai jenis sistem laser biasa untuk pelbagai aplikasi, termasuk pemprosesan bahan, pembedahan laser dan penderiaan jauh, tetapi banyak sistem laser berkongsi parameter utama yang sama. Mewujudkan istilah umum untuk parameter ini menghalang salah komunikasi, dan memahaminya membolehkan spesifikasi sistem dan komponen laser yang betul untuk memenuhi keperluan aplikasi.
Rajah 1: Skema sistem pemprosesan bahan laser biasa, di mana setiap satu daripada 10 parameter utama sistem laser diwakili oleh nombor yang sepadan
Parameter Asas
Parameter asas berikut ialah konsep paling asas bagi sistem laser dan penting untuk memahami perkara yang lebih maju.
1: Panjang gelombang (unit biasa: nm hingga µm)
Panjang gelombang laser menerangkan frekuensi ruang bagi gelombang cahaya yang dipancarkan. Panjang gelombang optimum untuk kes penggunaan tertentu adalah sangat bergantung pada aplikasi. Bahan yang berbeza akan mempunyai sifat penyerapan bergantung pada panjang gelombang yang unik dalam pemprosesan bahan, menghasilkan interaksi yang berbeza dengan bahan. Begitu juga, penyerapan dan gangguan atmosfera akan mempengaruhi panjang gelombang tertentu secara berbeza dalam penderiaan jauh, dan pelbagai kompleks akan menyerap panjang gelombang tertentu secara berbeza dalam aplikasi laser perubatan. Laser panjang gelombang yang lebih pendek dan optik laser memudahkan penciptaan ciri-ciri kecil dan tepat dengan pemanasan persisian yang minimum kerana titik fokus adalah lebih kecil. Walau bagaimanapun, ia biasanya lebih mahal dan lebih mudah rosak daripada laser panjang gelombang yang lebih panjang.
2: Kuasa dan Tenaga (unit biasa: W atau J)
Kuasa laser diukur dalam watt (W) dan digunakan untuk mencirikan output kuasa optik laser gelombang berterusan (CW) atau kuasa purata laser berdenyut. Laser berdenyut juga dicirikan oleh tenaga nadinya, yang berkadar dengan kuasa purata dan berkadar songsang dengan kadar pengulangan laser (Rajah 2). Tenaga diukur dalam joule (J).
Rajah 2: Perwakilan visual hubungan antara tenaga nadi, kadar pengulangan dan kuasa purata laser berdenyut
Laser kuasa dan tenaga yang lebih tinggi biasanya lebih mahal dan menghasilkan lebih banyak haba buangan. Mengekalkan kualiti pancaran tinggi juga menjadi lebih sukar dengan peningkatan kuasa dan tenaga.
3: Tempoh Nadi (unit biasa: fs hingga ms)
Tempoh nadi laser atau lebar nadi biasanya ditakrifkan sebagai lebar penuh pada separuh maksimum (FWHM) kuasa cahaya laser berbanding masa (Rajah 3). Laser ultrafast menawarkan banyak kelebihan dalam pelbagai aplikasi termasuk pemprosesan bahan ketepatan dan laser perubatan, dan dicirikan oleh tempoh nadi pendek kira-kira picosaat (10-12 saat) hingga attosaat (10-18 saat).
Rajah 3: Denyutan laser berdenyut dipisahkan mengikut masa dengan salingan kadar ulangan
4: Kadar pengulangan (unit biasa: Hz hingga MHz)
Kadar pengulangan atau kekerapan pengulangan nadi laser berdenyut menerangkan bilangan denyutan yang dipancarkan sesaat atau selang nadi masa songsang (Rajah 3). Seperti yang dinyatakan sebelum ini, kadar pengulangan adalah berkadar songsang dengan tenaga nadi dan berkadar terus dengan kuasa purata. Walaupun kadar pengulangan biasanya bergantung pada medium keuntungan laser, ia boleh berbeza-beza dalam banyak kes. Kadar pengulangan yang lebih tinggi menghasilkan masa kelonggaran haba yang lebih pendek pada permukaan optik laser dan pada titik fokus akhir, yang membawa kepada pemanasan bahan yang lebih cepat.
5: Panjang koheren (unit biasa: milimeter hingga meter)
Laser adalah koheren, yang bermaksud bahawa terdapat hubungan tetap antara nilai fasa medan elektrik pada masa atau lokasi yang berbeza. Ini kerana tidak seperti kebanyakan jenis sumber cahaya lain, laser dihasilkan oleh pelepasan teruja. Koheren merosot sepanjang proses penyebaran, dan panjang koheren laser menentukan jarak di mana koheren temporal laser dikekalkan pada kualiti tertentu.
6: Polarisasi
Polarisasi mentakrifkan arah medan elektrik gelombang cahaya, yang sentiasa berserenjang dengan arah perambatan. Dalam kebanyakan kes, laser akan terpolarisasi secara linear, bermakna medan elektrik yang dipancarkan sentiasa menghala ke arah yang sama. Cahaya yang tidak terkutub akan mempunyai medan elektrik yang menghala ke pelbagai arah. Darjah polarisasi biasanya dinyatakan sebagai nisbah jarak fokus cahaya dalam dua keadaan terkutub ortogon, contohnya 100:1 atau 500:1.
Parameter rasuk
Parameter berikut mencirikan bentuk dan kualiti pancaran laser.
7: Diameter rasuk (unit biasa: mm hingga cm)
Diameter rasuk laser mencirikan lanjutan sisi rasuk, atau dimensi fizikalnya berserenjang dengan arah perambatan. Ia biasanya ditakrifkan sebagai lebar 1/e2, yang dicapai oleh keamatan rasuk pada 1/e2 (≈ 13.5%). Pada titik 1/e2, kekuatan medan elektrik menurun kepada 1/e (≈ 37%). Lebih besar diameter rasuk, lebih besar optik dan keseluruhan sistem perlu untuk mengelakkan pemotongan rasuk, yang meningkatkan kos. Walau bagaimanapun, pengurangan diameter rasuk meningkatkan ketumpatan kuasa/tenaga, yang juga boleh memudaratkan.
8: Kuasa atau Ketumpatan Tenaga (unit biasa: W/cm2 kepada MW/cm2 atau µJ/cm2 kepada J/cm2)
Diameter pancaran berkaitan dengan ketumpatan kuasa/tenaga pancaran laser atau kuasa/tenaga optik per unit luas. Lebih besar diameter rasuk, lebih rendah ketumpatan kuasa/tenaga rasuk dengan kuasa atau tenaga malar. Pada output akhir sistem (cth, dalam pemotongan laser atau kimpalan), ketumpatan kuasa/tenaga yang tinggi selalunya diingini, tetapi dalam sistem, kepekatan kuasa/tenaga yang rendah selalunya bermanfaat untuk mengelakkan kerosakan akibat laser. Ini juga menghalang pengionan udara di kawasan ketumpatan kuasa/tenaga tinggi rasuk. Atas sebab ini, antara lain, pengembang pancaran laser sering digunakan untuk meningkatkan diameter dan dengan itu mengurangkan ketumpatan kuasa/tenaga di dalam sistem laser. Walau bagaimanapun, penjagaan mesti diambil untuk tidak mengembangkan rasuk sehingga rasuk dikaburkan daripada apertur dalam sistem, mengakibatkan tenaga terbuang dan kemungkinan kerosakan.
9: Profil Rasuk
Profil rasuk laser menerangkan keamatan teragih dalam keratan rentas rasuk. Profil rasuk biasa termasuk rasuk Gaussian dan rasuk atas rata, yang profil rasuknya mengikut fungsi Gaussian dan atas rata (Rajah 4). Walau bagaimanapun, tiada laser boleh menghasilkan pancaran Gaussian sepenuhnya atau atas rata sepenuhnya dengan profil pancaran yang betul-betul sepadan dengan fungsi eigennya, kerana sentiasa terdapat sebilangan titik panas atau turun naik tertentu di dalam laser. Perbezaan antara profil pancaran sebenar laser dan profil pancaran ideal biasanya diterangkan oleh metrik yang merangkumi faktor M2 laser.
Rajah 4: Perbandingan profil rasuk bagi rasuk Gaussian dengan kuasa atau keamatan purata yang sama dan rasuk atas rata menunjukkan bahawa intensiti puncak rasuk Gaussian adalah dua kali ganda rasuk atas rata.
10: Perbezaan (unit biasa: mrad)
Walaupun pancaran laser biasanya dianggap berkolimat, ia sentiasa mengandungi jumlah perbezaan tertentu, yang menerangkan sejauh mana pancaran mencapah pada jarak yang semakin meningkat dari pinggang pancaran laser disebabkan oleh pembelauan. Dalam aplikasi dengan jarak operasi yang panjang, seperti sistem LIDAR di mana objek mungkin beratus-ratus meter dari sistem laser, perbezaan menjadi isu yang sangat penting. Perbezaan rasuk biasanya ditakrifkan oleh separuh sudut laser, dan perbezaan (θ) rasuk Gaussian ditakrifkan sebagai:
Gambar.
λ ialah panjang gelombang laser dan w0 ialah pinggang pancaran laser.
Parameter sistem akhir
Parameter akhir ini menerangkan prestasi sistem laser pada output.
11: Saiz titik (unit biasa: µm)
Saiz titik pancaran laser terfokus menerangkan diameter rasuk pada titik fokus sistem kanta fokus. Dalam banyak aplikasi, seperti pemprosesan bahan dan pembedahan perubatan, matlamatnya adalah untuk meminimumkan saiz tempat. Ini memaksimumkan ketumpatan kuasa dan membolehkan penciptaan ciri yang sangat halus. Kanta asfera sering digunakan sebagai ganti kanta sfera tradisional untuk meminimumkan penyimpangan sfera dan menghasilkan saiz titik fokus yang lebih kecil. Sesetengah jenis sistem laser akhirnya tidak memfokuskan laser ke tempat, dalam hal ini parameter ini tidak terpakai.
12: Jarak Kerja (unit biasa: µm hingga m)
Jarak kerja sistem laser biasanya ditakrifkan sebagai jarak fizikal dari elemen optik akhir (biasanya kanta fokus) ke objek atau permukaan di mana laser difokuskan. Aplikasi tertentu, seperti laser perubatan, biasanya berusaha untuk meminimumkan jarak kerja, manakala aplikasi lain, seperti penderiaan jauh, biasanya bertujuan untuk memaksimumkan julat jarak kerja mereka.
