Terdapat pelbagai jenis sistem laser biasa yang digunakan dalam pelbagai aplikasi seperti pemprosesan bahan, pembedahan laser, dan penderiaan jauh, tetapi banyak sistem laser mempunyai parameter utama biasa. Mewujudkan istilah umum untuk parameter ini menghalang ralat komunikasi, dan memahaminya membolehkan sistem dan komponen laser ditentukan dengan betul untuk memenuhi keperluan aplikasi.
Rajah 1: Gambarajah skematik 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 sistem laser, dan juga penting untuk memahami perkara yang lebih maju
1: Panjang gelombang (unit biasa: nm hingga um)
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 berfaedah untuk mencipta ciri yang kecil dan tepat dengan pemanasan persisian yang minimum kerana titik fokus adalah lebih kecil. Walau bagaimanapun, ia biasanya lebih mahal dan lebih terdedah kepada kerosakan 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 menerangkan output kuasa optik bagi 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 ulangan 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 ia menghasilkan lebih banyak haba buangan. Mengekalkan kualiti pancaran tinggi juga menjadi semakin sukar apabila kuasa dan tenaga meningkat.
3: Tempoh Nadi (Unit Biasa: fs hingga ms)
Tempoh nadi laser atau lebar nadi biasanya ditakrifkan sebagai lebar penuh pada separuh maksimum (FWHM) kuasa optik laser berbanding masa (Rajah 3). Laser ultrafast menawarkan banyak kelebihan dalam pelbagai aplikasi termasuk pemprosesan bahan ketepatan dan laser perubatan. Ia dicirikan oleh tempoh nadi pendek tertib picosaat (10-12 saat) hingga attosaat (10-18 dan kurang
P(W)
1/Kadar Ulangan
Beli Masa Akaun Awam
Rajah 3: Denyutan laser berdenyut dipisahkan mengikut masa dengan songsangan 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 secara amnya bergantung pada medium keuntungan laser, ia boleh berbeza-beza dalam banyak kes. Kadar pengulangan yang lebih tinggi menghasilkan masa kelonggaran terma yang lebih pendek pada permukaan optik laser dan pada fokus akhir, yang menghasilkan pemanasan bahan yang lebih cepat.
5: Panjang Koheren (Unit Biasa: Milimeter ke Meter)
Laser adalah koheren, yang bermaksud bahawa arus elektrik pada masa atau lokasi yang berbeza adalah koheren. Terdapat hubungan tetap antara nilai fasa medan. Ini kerana laser, tidak seperti kebanyakan jenis sumber cahaya lain, dihasilkan oleh pelepasan yang dirangsang. Panjang koheren mentakrifkan jarak di mana koheren temporal cahaya laser kekal malar sepanjang perambatan cahaya laser, tanpa degradasi semasa proses.
6: Polarisasi
Polarisasi mentakrifkan arah medan elektrik gelombang cahaya, "ia sentiasa berserenjang dengan arah perambatan. Dalam kebanyakan kes, cahaya laser akan terpolarisasi secara linear, bermakna medan elektrik yang dipancarkan sentiasa menghala ke arah yang sama. Cahaya tidak terpolarisasi akan mempunyai medan elektrik yang menghala ke pelbagai arah yang berbeza Darjah polarisasi biasanya dinyatakan sebagai nisbah kuasa optik dua keadaan polarisasi ortogon, seperti 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 saiz fizikalnya berserenjang dengan arah penyebaran. Ia biasanya ditakrifkan sebagai lebar 1/e2, iaitu lebar keamatan rasuk sehingga 1/e2 (=13.5%). Pada titik 1/e2, keamatan 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 MWicm2 atau uJ/cm2 kepada J/cm2)
Diameter pancaran berkaitan dengan ketumpatan kuasa/tenaga pancaran laser. Ketumpatan tenaga, atau jumlah kuasa optik/tenaga per unit luas. Lebih besar diameter rasuk, lebih rendah ketumpatan kuasa/tenaga rasuk untuk kuasa atau tenaga malar. Ketumpatan kuasa/tenaga tinggi selalunya diingini pada keluaran akhir sistem (contohnya dalam pemotongan laser atau kimpalan), tetapi kepekatan kuasa/tenaga yang rendah selalunya bermanfaat di dalam sistem untuk mengelakkan kerosakan akibat laser. Ini juga menghalang kawasan ketumpatan kuasa/tenaga tinggi rasuk daripada mengion udara. 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 terlalu banyak sehingga ia terhalang daripada apertur dalam sistem, mengakibatkan tenaga terbuang dan kemungkinan kerosakan.
9: Profil Rasuk
Profil rasuk laser menerangkan keamatan teragih ke atas keratan rentas rasuk. Profil rasuk biasa termasuk rasuk Gaussian dan rasuk atas rata, yang profil rasuknya mengikut fungsi Gaussian dan fungsi atas rata, masing-masing (Rajah 4). Walau bagaimanapun, tiada laser boleh menghasilkan pancaran Gaussian atau atas rata sepenuhnya dengan profil pancaran yang betul-betul sepadan dengan fungsi cirinya, kerana sentiasa terdapat sejumlah titik panas atau turun naik tertentu di dalam laser. Perbezaan antara profil pancaran sebenar laser dan profil pancaran ideal sering diterangkan oleh metrik termasuk faktor M2 laser.
Profil Rasuk Atas Gaussian dan rata
Rajah 4: Perbandingan profil rasuk bagi rasuk Gaussian dan rasuk atas rata dengan kuasa atau intensiti purata yang sama menunjukkan bahawa intensiti puncak rasuk Gaussian adalah dua kali ganda rasuk atas rata.
10: Perbezaan (unit biasa: mrad)
Walaupun pancaran laser selalunya dianggap berkolimat, ia sentiasa mengandungi jumlah perbezaan tertentu, yang menerangkan sejauh mana pancaran mencapah pada jarak yang semakin meningkat dari pinggang pancaran laser akibat pembelauan. Dalam aplikasi jarak kerja yang panjang, seperti sistem LiDAR, di mana objek mungkin beratus meter dari sistem laser, perbezaan menjadi isu yang sangat penting. Perbezaan rasuk sering ditakrifkan oleh separuh sudut laser, dan perbezaan rasuk Gaussian (0) ditakrifkan sebagai:
W 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: um)
Saiz titik pancaran laser terfokus menerangkan diameter rasuk pada 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 (Rajah 5). Kanta asfera sering digunakan dan bukannya kanta sfera tradisional untuk mengurangkan penyimpangan sfera dan menghasilkan saiz titik fokus yang lebih kecil. Sesetengah jenis sistem laser akhirnya tidak memfokuskan laser ke tempat, yang mana parameter ini tidak terpakai.
Rajah 5: Percubaan pemesinan mikro laser di Institut Teknologi Itali menunjukkan 10-peningkatan kali ganda dalam kecekapan ablasi dalam sistem penggerudian laser nanosaat apabila saiz titik dikurangkan daripada 220um kepada 9um pada kadar aliran yang tetap
12: Jarak kerja (unit biasa: um hingga m)
Jarak kerja sistem laser biasanya ditakrifkan sebagai jarak fizikal dari elemen optik akhir (biasanya kanta pemfokus) ke objek atau permukaan di mana laser difokuskan. Aplikasi tertentu, seperti laser perubatan, biasanya berusaha untuk meminimumkan jarak kerja, manakala yang lain, seperti penderiaan jauh, biasanya bertujuan untuk memaksimumkan julat jarak kerja mereka.
