برخی از مفاهیم کلیدی پارامتر در مورد سیستم های لیزری

طیف گسترده ای از سیستم های لیزری همه منظوره برای کاربردهای مختلف مانند پردازش مواد، جراحی لیزری و سنجش از راه دور وجود دارد، اما بسیاری از سیستم های لیزری پارامترهای کلیدی مشترکی دارند. ایجاد اصطلاحات مشترک برای این پارامترها از سوء تفاهم جلوگیری می کند و درک آنها اجازه می دهد تا مشخصات مناسب سیستم ها و اجزای لیزری برای برآورده کردن الزامات برنامه کاربردی باشد.

پارامترهای اساسی

پارامترهای اساسی زیر اساسی ترین مفاهیم یک سیستم لیزری هستند و برای درک نکات پیشرفته تر ضروری هستند.

1: طول موج (واحدهای معمولی: نانومتر تا میکرومتر)

طول موج لیزر فرکانس فضایی موج نور ساطع شده را توصیف می کند. طول موج بهینه برای یک مورد خاص به شدت به کاربرد بستگی دارد. در پردازش مواد، مواد مختلف دارای خواص جذب منحصر به فرد وابسته به طول موج هستند که منجر به برهمکنش های متفاوتی با مواد می شود. به طور مشابه، در سنجش از دور، جذب و تداخل اتمسفر می تواند طول موج های خاصی را به طور متفاوت تحت تاثیر قرار دهد و در کاربردهای لیزری پزشکی، مجتمع های مختلف می توانند طول موج های خاصی را به طور متفاوت جذب کنند. لیزرهای با طول موج کوتاهتر و اپتیک های لیزری به ایجاد ویژگی های کوچک و دقیق با حداقل حرارت محیطی کمک می کنند زیرا نقطه کانونی کوچکتر است. با این حال، آنها معمولاً گران‌تر هستند و نسبت به لیزرهای با طول موج بلندتر آسیب می‌بینند.

2: توان و انرژی (واحدهای معمولی: W یا J)

توان لیزر بر حسب وات (W) اندازه گیری می شود و برای توصیف توان نوری خروجی از لیزر موج پیوسته (CW) یا توان متوسط ​​یک لیزر پالسی استفاده می شود. لیزرهای پالسی نیز با انرژی پالس خود مشخص می شوند که متناسب با توان متوسط ​​و نسبت معکوس با سرعت تکرار لیزر است (شکل 2). انرژی با ژول (J) اندازه گیری می شود.

لیزرهای با توان و انرژی بالاتر معمولاً گرانتر هستند و گرمای اتلاف بیشتری تولید می کنند. حفظ کیفیت پرتو بالا نیز با افزایش قدرت و انرژی دشوارتر می شود.

3: مدت زمان پالس (واحدهای معمولی: fs تا ms)

مدت زمان پالس لیزر یا عرض پالس معمولاً به عنوان عرض کامل در نیمه حداکثر (FWHM) توان نور لیزر در مقابل زمان تعریف می شود (شکل 3). لیزرهای فوق سریع در طیف وسیعی از کاربردها از جمله پردازش مواد دقیق و لیزرهای پزشکی مزایای زیادی دارند و با مدت زمان پالس کوتاه حدود پیکوثانیه ({2}} ثانیه) تا آتوثانیه (10-18 ثانیه) مشخص می شوند.

4: نرخ تکرار (واحدهای معمولی: هرتز تا مگاهرتز)

نرخ تکرار یا فرکانس تکرار پالس لیزر پالسی تعداد پالس های ساطع شده در ثانیه یا بازه پالس زمانی معکوس را توصیف می کند (شکل 3). همانطور که قبلا ذکر شد، نرخ تکرار با انرژی پالس نسبت معکوس و با توان متوسط ​​رابطه مستقیم دارد. در حالی که میزان تکرار معمولاً به محیط افزایش لیزر بستگی دارد، در بسیاری از موارد می تواند متفاوت باشد. نرخ‌های تکرار بیشتر منجر به زمان‌های آرامش حرارتی کوتاه‌تر در سطح نوری لیزر و در فوکوس نهایی می‌شود که منجر به گرم شدن سریع‌تر مواد می‌شود.

5: طول پیوستگی (واحدهای معمولی: میلی متر به متر)

لیزرها منسجم هستند، به این معنی که یک رابطه ثابت بین مقادیر فاز میدان الکتریکی در زمان‌ها یا مکان‌های مختلف وجود دارد. این به این دلیل است که بر خلاف بسیاری از انواع دیگر منابع نور، لیزرها با انتشار برانگیخته تولید می شوند. انسجام در طول فرآیند انتقال کاهش می یابد و طول انسجام لیزر فاصله ای را تعیین می کند که انسجام زمانی لیزر در یک کیفیت مشخص باقی می ماند.

6: قطبی شدن

قطبش جهت میدان الکتریکی یک موج نوری را تعیین می کند که همیشه بر جهت انتشار عمود است. در بیشتر موارد، لیزر به صورت خطی قطبی می شود، به این معنی که میدان الکتریکی ساطع شده همیشه در یک جهت قرار می گیرد. نور غیرقطبی میدان الکتریکی خواهد داشت که در جهات مختلف قرار دارد. قطبش معمولاً به صورت نسبت فاصله کانونی نور در دو حالت قطبی متعامد، به عنوان مثال 100:1 یا 500:1 بیان می شود.

پارامترهای پرتو

پارامترهای زیر شکل و کیفیت پرتو لیزر را مشخص می کند.

7: قطر تیر (واحدهای معمولی: میلی متر تا سانتی متر)

قطر پرتو لیزر امتداد جانبی پرتو یا بعد فیزیکی عمود بر جهت انتشار را مشخص می کند. معمولاً به عنوان عرض 1/e2 تعریف می شود، یعنی عرضی که با شدت پرتو در 1/e2 (≈13.5٪) به دست می آید. در نقطه 1/e2، قدرت میدان الکتریکی به 1/e (≈37٪) کاهش می یابد. هرچه قطر پرتو بزرگتر باشد، اپتیک و کل سیستم باید بزرگتر باشد تا از بریدگی پرتو جلوگیری شود که هزینه را افزایش می دهد. با این حال، کاهش قطر پرتو، چگالی توان/انرژی را افزایش می‌دهد، که این نیز مضر است.

8: توان یا چگالی انرژی (واحدهای معمولی: W/cm2 تا MW/cm2 یا µJ/cm2 تا J/cm2)

قطر پرتو به چگالی توان/انرژی پرتو لیزر یا توان/انرژی نوری در واحد سطح مربوط می‌شود. هر چه قطر پرتو بزرگتر باشد، چگالی توان/انرژی پرتو توان ثابت یا انرژی ثابت کمتر است. در خروجی نهایی سیستم (مثلاً در برش یا جوشکاری لیزر)، معمولاً چگالی توان/انرژی بالا مورد نیاز است، اما در داخل سیستم، غلظت توان/انرژی کم معمولاً برای جلوگیری از آسیب ناشی از لیزر مفید است. این همچنین از یونیزه شدن هوا در ناحیه با چگالی توان/انرژی بالا پرتو جلوگیری می کند. به این دلایل، از جمله، از گسترش دهنده های پرتو لیزر اغلب برای افزایش قطر و در نتیجه کاهش چگالی توان/انرژی در داخل سیستم لیزر استفاده می شود. با این حال، باید مراقب بود که پرتو آنقدر بزرگ نشود که پرتو از روزنه سیستم پنهان نشود و در نتیجه انرژی هدر رفته و آسیب احتمالی ایجاد شود.

9: نمای پرتو

مشخصات پرتو لیزر شدت توزیع شده در مقطع پرتو را توصیف می کند. پروفیل های تیر معمولی شامل تیرهای گاوسی و سطح تخت هستند که به ترتیب از توابع گاوسی و سطح صاف پیروی می کنند (شکل 4). با این حال، از آنجایی که همیشه تعداد معینی از نقاط داغ یا نوسانات در داخل لیزر وجود دارد، هیچ لیزری نمی تواند یک پرتو کاملاً گاوسی یا کاملاً مسطح ایجاد کند که دقیقاً با عملکرد ویژه آن مطابقت داشته باشد. تفاوت بین نیمرخ پرتو واقعی لیزر و پروفیل پرتو ایده آل معمولاً با یک متریک حاوی فاکتور M2 لیزر توصیف می شود.

10: واگرایی (واحد معمولی: mrad)

اگرچه پرتوهای لیزر عموماً همسو در نظر گرفته می شوند، اما همیشه دارای مقدار معینی واگرایی هستند که میزان واگرایی پرتو در فواصل فزاینده از کمر پرتو لیزر به دلیل پراش را توصیف می کند. در کاربردهایی با فواصل عملیاتی طولانی، مانند سیستم های LIDAR، که در آن اشیاء ممکن است صدها متر از سیستم لیزر فاصله داشته باشند، واگرایی به یک موضوع مهم تبدیل می شود. واگرایی پرتو معمولاً بر حسب نیم زاویه لیزر و واگرایی (θ) پرتو گاوسی به صورت تعریف می شود.

λ طول موج لیزر و w{0}} دور پرتو لیزر است.

پارامترهای نهایی سیستم

این پارامترهای نهایی عملکرد سیستم لیزر را در خروجی توصیف می کنند.

11: اندازه نقطه (واحد معمولی: میکرومتر)

اندازه نقطه پرتو لیزر متمرکز، قطر پرتو در نقطه کانونی سیستم لنز فوکوس را توصیف می کند. در بسیاری از کاربردها، مانند پردازش مواد و جراحی پزشکی، هدف به حداقل رساندن اندازه لکه است. این چگالی توان را به حداکثر می‌رساند و امکان ایجاد ویژگی‌های فوق‌العاده خوب را فراهم می‌کند (شکل 5). لنزهای غیر کروی اغلب به جای لنزهای کروی معمولی برای به حداقل رساندن انحراف کروی و تولید اندازه نقاط کانونی کوچکتر استفاده می شوند. برخی از انواع سیستم های لیزر در نهایت لیزر را بر روی نقطه متمرکز نمی کنند، در این صورت این پارامتر قابل اعمال نیست.

12: فاصله کاری (واحد معمولی: میکرومتر تا متر)

فاصله کاری یک سیستم لیزری به طور کلی به عنوان فاصله فیزیکی از عنصر نوری نهایی (معمولاً یک لنز فوکوس) تا جسم یا سطحی که لیزر روی آن متمرکز شده است تعریف می شود. برخی از کاربردها، مانند لیزرهای پزشکی، اغلب به دنبال به حداقل رساندن فاصله کاری هستند، در حالی که برنامه های کاربردی دیگر، مانند سنجش از راه دور، اغلب هدفشان به حداکثر رساندن برد فاصله کاری است.