On olemassa laaja valikoima yleiskäyttöisiä laserjärjestelmiä erilaisiin sovelluksiin, kuten materiaalinkäsittelyyn, laserkirurgiaan ja kaukokartoitukseen, mutta monilla laserjärjestelmillä on yhteiset avainparametrit. Yhteisen terminologian luominen näille parametreille estää väärinkäsitykset, ja niiden ymmärtäminen mahdollistaa laserjärjestelmien ja komponenttien oikean määrittelyn sovellusten vaatimusten täyttämiseksi.
Perusparametrit
Seuraavat perusparametrit ovat laserjärjestelmän peruskäsitteitä ja ovat välttämättömiä edistyneempien kohtien ymmärtämiseksi.
1: Aallonpituus (tyypilliset yksiköt: nm - µm)
Laserin aallonpituus kuvaa emittoidun valoaallon spatiaalista taajuutta. Optimaalinen aallonpituus tietyssä käyttötapauksessa riippuu suuresti sovelluksesta. Materiaalien käsittelyssä eri materiaaleilla on ainutlaatuiset aallonpituudesta riippuvat absorptioominaisuudet, jotka johtavat erilaisiin vuorovaikutuksiin materiaalin kanssa. Vastaavasti kaukokartoituksessa ilmakehän absorptio ja häiriöt voivat vaikuttaa tiettyihin aallonpituuksiin eri tavalla, ja lääketieteellisissä lasersovelluksissa erilaiset kompleksit voivat absorboida tiettyjä aallonpituuksia eri tavalla. Lyhyemmät aallonpituudet laserit ja laseroptiikka auttavat luomaan pieniä, tarkkoja ominaisuuksia minimaalisella reunalämmityksellä, koska polttopiste on pienempi. Ne ovat kuitenkin tyypillisesti kalliimpia ja vaurioituvat helpommin kuin pidemmän aallonpituuden laserit.
2: Teho ja energia (tyypilliset yksiköt: W tai J)
Laserin teho mitataan watteina (W) ja sitä käytetään kuvaamaan jatkuvan aallon (CW) laserin optista tehoa tai pulssilaserin keskimääräistä tehoa. Pulssilasereille on tunnusomaista myös niiden pulssienergia, joka on verrannollinen laserin keskimääräiseen tehoon ja kääntäen verrannollinen laserin toistotiheyteen (kuva 2). Energia mitataan jouleina (J).
Suuremman tehon ja energian laserit ovat yleensä kalliimpia ja ne tuottavat enemmän hukkalämpöä. Korkean säteen laadun ylläpitäminen vaikeutuu myös tehon ja energian lisääntyessä.
3: Pulssin kesto (tyypilliset yksiköt: fs - ms)
Laserpulssin kesto tai pulssin leveys määritellään tavallisesti laservalon tehon puolessa maksimissa (FWHM) täysi leveys suhteessa aikaan (kuva 3). Ultranopeilla lasereilla on monia etuja useissa sovelluksissa, mukaan lukien tarkkuusmateriaalien käsittelyssä ja lääketieteellisissä lasereissa, ja niille on ominaista lyhyet pulssin kestoajat noin pikosekunneista (10-12 sekuntia) attosekuntiin (10-18 sekuntia).
4: Toistotaajuus (tyypilliset yksiköt: Hz - MHz)
Pulssilaserin toistotaajuus tai pulssin toistotaajuus kuvaa sekunnissa lähetettyjen pulssien lukumäärää tai käänteisaikaista pulssiväliä (kuva 3). Kuten aiemmin mainittiin, toistotaajuus on kääntäen verrannollinen pulssienergiaan ja suoraan verrannollinen keskimääräiseen tehoon. Vaikka toistotaajuus riippuu yleensä laserin vahvistusväliaineesta, se voi vaihdella monissa tapauksissa. Suuremmat toistonopeudet johtavat lyhyempiin lämpörelaksaatioaikaan laserin optisella pinnalla ja lopullisessa tarkennuksessa, mikä johtaa nopeampaan materiaalin kuumenemiseen.
5: Koherenssipituus (tyypilliset yksiköt: millimetreistä metreihin)
Laserit ovat koherentteja, mikä tarkoittaa, että sähkökentän vaihearvojen välillä on kiinteä suhde eri aikoina tai eri paikoissa. Tämä johtuu siitä, että toisin kuin useimmat muut valonlähteet, laserit tuotetaan virittyneen säteilyn avulla. Koherenssi pienenee koko lähetysprosessin ajan, ja laserin koherenssipituus määrittää etäisyyden, jolla laserin ajallinen koherenssi pysyy tietyssä laadussa.
6: Polarisaatio
Polarisaatio määrittää valoaallon sähkökentän suunnan, joka on aina kohtisuorassa etenemissuuntaan nähden. Useimmissa tapauksissa laser on lineaarisesti polarisoitu, mikä tarkoittaa, että emittoitu sähkökenttä osoittaa aina samaan suuntaan. Polarisoimattomassa valossa on sähkökenttä, joka osoittaa moniin eri suuntiin. Polarisaatio ilmaistaan yleensä valon polttovälien suhteena kahdessa ortogonaalisesti polarisoidussa tilassa, esimerkiksi 100:1 tai 500:1.
Säteen parametrit
Seuraavat parametrit kuvaavat lasersäteen muotoa ja laatua.
7: Palkin halkaisija (tyypilliset yksiköt: mm - cm)
Laserin säteen halkaisija kuvaa säteen lateraalista ulottuvuutta tai fyysistä mittaa kohtisuorassa etenemissuuntaan nähden. Se määritellään yleensä leveydeksi 1/e2, eli leveydeksi, joka saavutetaan säteen intensiteetillä 1/e2:lla (≈13,5 %). Kohdassa 1/e2 sähkökentän voimakkuus putoaa arvoon 1/e (≈37 %). Mitä suurempi säteen halkaisija, sitä suurempi optiikan ja koko järjestelmän on oltava, jotta vältetään säteen katkaisu, mikä lisää kustannuksia. Kuitenkin säteen halkaisijan pieneneminen lisää teho/energiatiheyttä, mikä on myös haitallista.
8: Teho tai energiatiheys (tyypilliset yksiköt: W/cm2 - MW/cm2 tai µJ/cm2 - J/cm2)
Säteen halkaisija liittyy lasersäteen tehoon/energiatiheyteen tai optiseen tehoon/energiaan pinta-alayksikköä kohti. Mitä suurempi säteen halkaisija on, sitä pienempi on vakiotehoisen tai vakioenergiansäteen teho/energiatiheys. Järjestelmän lopputuloksessa (esim. laserleikkauksessa tai hitsauksessa) vaaditaan yleensä korkea teho/energiatiheys, mutta järjestelmässä alhainen teho/energiapitoisuus on yleensä hyödyllinen laserin aiheuttamien vaurioiden estämisessä. Tämä estää myös ilman ionisaation säteen suuren tehon/energiatiheyden alueella. Näistä syistä muun muassa lasersäteen laajentajia käytetään usein kasvattamaan halkaisijaa ja siten vähentämään teho/energiatiheyttä laserjärjestelmän sisällä. On kuitenkin huolehdittava, ettei säde ulotu niin suureksi, että säde peittyy järjestelmän aukosta, mikä johtaa hukkaan energiaan ja mahdollisiin vaurioihin.
9: Sädeprofiili
Laserin säteen profiili kuvaa jakautuneen intensiteetin säteen poikkileikkauksessa. Yleisiä palkkiprofiileja ovat Gauss-palkit ja litteät palkit, jotka noudattavat vastaavasti Gaussin ja flat-top-funktioita (kuva 4). Koska laserin sisällä on kuitenkin aina tietty määrä kuumia pisteitä tai heilahteluja, mikään laser ei voi tuottaa täysin Gaussin tai täysin litteäpäällistä sädettä, joka vastaa täsmälleen sen ominaisfunktiota. Laserin todellisen sädeprofiilin ja ihanteellisen sädeprofiilin välinen ero kuvataan yleensä laserin M2-kertoimen sisältävällä metriikalla.
10: Ero (tyypillinen yksikkö: mrad)
Vaikka lasersäteitä pidetään yleisesti kollimoituneena, ne sisältävät aina tietyn määrän hajoamista, joka kuvaa sitä, missä määrin säde hajoaa kasvavilla etäisyyksillä lasersäteen vyötäröstä diffraktion vuoksi. Pitkien toimintaetäisyyksien sovelluksissa, kuten LIDAR-järjestelmissä, joissa esineet voivat olla satojen metrien päässä laserjärjestelmästä, poikkeamisesta tulee erityisen tärkeä kysymys. Säteen hajoaminen määritellään yleensä laserin puolikulman avulla ja Gaussin säteen hajonta (θ) määritellään seuraavasti.
λ on laserin aallonpituus ja w{0}} on laserin säteen vyötärö.
Lopulliset järjestelmäparametrit
Nämä lopulliset parametrit kuvaavat laserjärjestelmän suorituskykyä lähdössä.
11: pisteen koko (tyypillinen yksikkö: µm)
Tarkennetun lasersäteen pistekoko kuvaa säteen halkaisijaa tarkennuslinssijärjestelmän polttopisteessä. Monissa sovelluksissa, kuten materiaalinkäsittelyssä ja lääketieteellisessä kirurgiassa, tavoitteena on minimoida pisteen koko. Tämä maksimoi tehotiheyden ja mahdollistaa poikkeuksellisen hienojen ominaisuuksien luomisen (kuva 5). Asfäärisiä linssejä käytetään usein tavanomaisten pallomaisten linssien sijasta pallopoikkeaman minimoimiseksi ja pienempien polttopistekokojen tuottamiseksi. Jotkin laserjärjestelmätyypit eivät viime kädessä tarkenna laseria kohtaan, jolloin tämä parametri ei ole käytettävissä.
12: Työetäisyys (tyypillinen yksikkö: µm - m)
Laserjärjestelmän työskentelyetäisyys määritellään yleensä fyysiseksi etäisyydeksi lopullisesta optisesta elementistä (yleensä tarkennuslinssistä) kohteeseen tai pintaan, johon laser on tarkennettu. Jotkut sovellukset, kuten lääketieteelliset laserit, pyrkivät usein minimoimaan työskentelyetäisyyden, kun taas toiset sovellukset, kuten kaukokartoitus, pyrkivät usein maksimoimaan työskentelyetäisyyden.
