Pastāv plašs izplatītu lāzersistēmu klāsts dažādiem lietojumiem, tostarp materiālu apstrādei, lāzerķirurģijai un attālajai uzrādei, taču daudzām lāzersistēmām ir kopīgi galvenie parametri. Vienotas terminoloģijas izveide šiem parametriem novērš nepareizu saziņu, un to izpratne ļauj pareizi specifikēt lāzera sistēmas un komponentus, lai tie atbilstu lietojuma prasībām.
1. attēls: izplatītas lāzera materiālu apstrādes sistēmas shēma, kur katrs no 10 galvenajiem lāzersistēmas parametriem ir attēlots ar atbilstošu skaitli
Pamatparametri
Tālāk minētie pamatparametri ir lāzersistēmas pamatjēdzieni, un tie ir būtiski, lai izprastu sarežģītākus punktus.
1: Viļņa garums (parastās vienības: nm līdz µm)
Lāzera viļņa garums raksturo izstarotā gaismas viļņa telpisko frekvenci. Optimālais viļņa garums konkrētajam lietošanas gadījumam ir ļoti atkarīgs no pielietojuma. Dažādiem materiāliem būs unikālas no viļņa garuma atkarīgas absorbcijas īpašības materiālu apstrādē, kā rezultātā radīsies atšķirīga mijiedarbība ar materiālu. Tāpat atmosfēras absorbcija un traucējumi atšķirīgi ietekmēs noteiktus viļņu garumus attālās uzrādes gadījumā, un dažādi kompleksi atšķirīgi absorbēs noteiktus viļņu garumus medicīnas lāzeru lietojumos. Īsāka viļņa garuma lāzeri un lāzera optika atvieglo mazu, precīzu funkciju izveidi ar minimālu perifēro apsildi, jo fokusa punkts ir mazāks. Tomēr tie parasti ir dārgāki un vieglāk sabojājami nekā lāzeri ar garāku viļņu garumu.
2: jauda un enerģija (parastās mērvienības: W vai J)
Lāzera jaudu mēra vatos (W) un izmanto, lai raksturotu nepārtraukta viļņa (CW) lāzera optisko jaudu vai impulsa lāzera vidējo jaudu. Impulsu lāzerus raksturo arī to impulsa enerģija, kas ir proporcionāla vidējai jaudai un apgriezti proporcionāla lāzera atkārtošanās ātrumam (2. attēls). Enerģiju mēra džoulos (J).
2. attēls. Vizuāls attēlojums par saistību starp impulsa enerģiju, atkārtošanās ātrumu un impulsa lāzera vidējo jaudu
Lielākas jaudas un enerģijas lāzeri parasti ir dārgāki, un tie rada vairāk siltuma. Palielinoties jaudai un enerģijai, arī tālās gaismas kvalitātes uzturēšana kļūst grūtāka.
3: impulsa ilgums (parastās vienības: fs līdz ms)
Lāzera impulsa ilgums vai impulsa platums parasti tiek definēts kā pilns lāzera gaismas jaudas un laika platums pie maksimālās puses (FWHM) (3. attēls). Īpaši ātrie lāzeri piedāvā daudzas priekšrocības dažādos lietojumos, tostarp precīzā materiālu apstrādē un medicīniskajos lāzeros, un tiem raksturīgs īss impulsa ilgums aptuveni no pikosekundēm (10-12 sekundēm) līdz attosekundēm (10-18 sekundēm).
3. attēls. Impulsu lāzera impulsi, kas atdalīti laikā ar atkārtošanās ātruma apgriezto vērtību
4: atkārtošanās ātrums (parastās vienības: Hz līdz MHz)
Impulsu lāzera atkārtošanās biežums jeb impulsa atkārtošanās biežums apraksta izstaroto impulsu skaitu sekundē vai apgriezto laika impulsa intervālu (3. attēls). Kā minēts iepriekš, atkārtošanās ātrums ir apgriezti proporcionāls impulsa enerģijai un tieši proporcionāls vidējai jaudai. Lai gan atkārtošanās ātrums parasti ir atkarīgs no lāzera pastiprinājuma vides, tas daudzos gadījumos var atšķirties. Lielāks atkārtošanās ātrums nodrošina īsāku termiskās relaksācijas laiku lāzera optikas virsmā un galīgajā fokusa punktā, kas nodrošina ātrāku materiāla uzsilšanu.
5. Saskaņas garums (parastās mērvienības: no milimetriem līdz metriem)
Lāzeri ir koherenti, kas nozīmē, ka pastāv noteikta sakarība starp elektriskā lauka fāzes vērtībām dažādos laikos vai vietās. Tas ir tāpēc, ka atšķirībā no vairuma citu gaismas avotu veidu lāzeri tiek ražoti ar ierosinātu emisiju. Koherence pasliktinās visā izplatīšanās procesā, un lāzera koherences garums nosaka attālumu, kurā lāzera laika koherence tiek uzturēta noteiktā kvalitātē.
6: Polarizācija
Polarizācija nosaka gaismas viļņa elektriskā lauka virzienu, kas vienmēr ir perpendikulārs izplatīšanās virzienam. Vairumā gadījumu lāzers būs lineāri polarizēts, kas nozīmē, ka izstarotais elektriskais lauks vienmēr ir vērsts vienā virzienā. Nepolarizētajai gaismai būs elektriskais lauks, kas vērsts dažādos virzienos. Polarizācijas pakāpi parasti izsaka kā gaismas fokusa attālumu attiecību divos ortogonāli polarizētos stāvokļos, piemēram, 100:1 vai 500:1.
Sijas parametri
Lāzera stara formu un kvalitāti raksturo šādi parametri.
7: sijas diametrs (parastās mērvienības: mm līdz cm)
Lāzera stara diametrs raksturo stara sānu pagarinājumu jeb tā fizisko izmēru perpendikulāri izplatīšanās virzienam. To parasti definē kā 1/e2 platumu, ko sasniedz staru kūļa intensitāte pie 1/e2 (≈ 13,5%). Punktā 1/e2 elektriskā lauka stiprums samazinās līdz 1/e (≈ 37%). Jo lielāks ir staru kūļa diametrs, jo lielākai jābūt optikai un visai sistēmai, lai izvairītos no staru kūļa saīsināšanas, kas palielina izmaksas. Tomēr staru kūļa diametra samazināšanās palielina jaudas/enerģijas blīvumu, kas arī var būt kaitīgs.
8: jauda vai enerģijas blīvums (parastās mērvienības: W/cm2 līdz MW/cm2 vai µJ/cm2 līdz J/cm2)
Stara diametrs attiecas uz lāzera stara jaudu/enerģijas blīvumu vai optisko jaudu/enerģiju uz laukuma vienību. Jo lielāks ir stara diametrs, jo mazāks jaudas/enerģijas blīvums staram ar nemainīgu jaudu vai enerģiju. Sistēmas gala izvadē (piem., lāzergriešanai vai metināšanai) bieži ir vēlams liels jaudas/enerģijas blīvums, bet sistēmā zema jaudas/enerģijas koncentrācija bieži vien ir noderīga, lai novērstu lāzera izraisītus bojājumus. Tas arī novērš gaisa jonizāciju staru kūļa liela jaudas/enerģijas blīvuma reģionā. Šo iemeslu dēļ, cita starpā, lāzera staru paplašinātājus bieži izmanto, lai palielinātu diametru un tādējādi samazinātu jaudas/enerģijas blīvumu lāzera sistēmā. Tomēr ir jāuzmanās, lai staru kūlis netiktu paplašināts tik daudz, lai tas netiktu aizsegts no sistēmas atverēm, kā rezultātā tiek tērēta enerģija un iespējami bojājumi.
9: stara profils
Lāzera stara profils raksturo sadalīto intensitāti stara šķērsgriezumā. Parastie siju profili ietver Gausa un plakanvirsmas sijas, kuru siju profili atbilst attiecīgi Gausa un plakanās virsmas funkcijām (4. attēls). Tomēr neviens lāzers nevar radīt pilnīgi Gausa vai pilnīgi plakanu augšējo staru kūli ar stara profilu, kas precīzi atbilst tā īpašfunkcijai, jo lāzera iekšpusē vienmēr ir noteikts skaits karsto punktu vai svārstību. Atšķirību starp lāzera faktisko staru kūļa profilu un ideālo staru kūļa profilu parasti apraksta ar metriku, kas ietver lāzera M2 koeficientu.
4. attēls. Gausa staru kūļa profila salīdzinājums ar tādu pašu vidējo jaudu vai intensitāti un plakanvirsmas staru kūļa profilu parāda, ka Gausa staru kūļa maksimālā intensitāte ir divas reizes lielāka nekā plakanā stara kūļa intensitāte.
10: novirze (tipiskās vienības: mrad)
Lai gan lāzera starus parasti uzskata par kolimētiem, tie vienmēr satur zināmu novirzi, kas raksturo pakāpi, kādā stars novirzās difrakcijas dēļ pieaugošos attālumos no lāzera stara vidukļa. Lietojumprogrammās ar lieliem darbības attālumiem, piemēram, LIDAR sistēmām, kur objekti var atrasties simtiem metru attālumā no lāzera sistēmas, atšķirības kļūst par īpaši svarīgu problēmu. Stara diverģenci parasti nosaka ar lāzera pusleņķi, un Gausa stara novirzi (θ) definē šādi:
Bilde.
λ ir lāzera viļņa garums un w{0}} ir lāzera stara viduklis.
Galīgie sistēmas parametri
Šie galīgie parametri apraksta lāzera sistēmas veiktspēju izejā.
11: plankuma izmērs (parastā mērvienība: µm)
Fokusēta lāzera stara vietas izmērs raksturo stara diametru fokusēšanas lēcu sistēmas fokusa punktā. Daudzās lietojumprogrammās, piemēram, materiālu apstrādē un medicīniskajā ķirurģijā, mērķis ir samazināt vietas izmēru. Tas palielina jaudas blīvumu un ļauj izveidot īpaši smalkas funkcijas. Asfēriskās lēcas bieži izmanto tradicionālo sfērisko lēcu vietā, lai samazinātu sfērisko aberāciju un radītu mazākus fokusa punktu izmērus. Dažu veidu lāzeru sistēmas galu galā nefokusē lāzeru uz vietu, un tādā gadījumā šis parametrs neattiecas.
12: Darba attālums (parastās mērvienības: µm līdz m)
Lāzera sistēmas darbības attālums parasti tiek definēts kā fiziskais attālums no gala optiskā elementa (parasti fokusēšanas lēcas) līdz objektam vai virsmai, uz kuru ir fokusēts lāzers. Dažas lietojumprogrammas, piemēram, medicīniskie lāzeri, parasti cenšas samazināt darba attālumu, savukārt citas lietojumprogrammas, piemēram, attālā uzrāde, parasti cenšas palielināt darba attāluma diapazonu.
