Er is een breed scala aan gangbare lasersystemen voor een verscheidenheid aan toepassingen, waaronder materiaalverwerking, laserchirurgie en teledetectie, maar veel lasersystemen delen gemeenschappelijke sleutelparameters. Het vaststellen van gemeenschappelijke terminologie voor deze parameters voorkomt miscommunicatie, en het begrijpen ervan maakt een juiste specificatie van lasersystemen en componenten mogelijk om aan de toepassingsvereisten te voldoen.
Figuur 1: Schematische weergave van een gangbaar lasermateriaalverwerkingssysteem, waarbij elk van de tien belangrijkste parameters van een lasersysteem wordt weergegeven door een overeenkomstig getal
Basisparameters
De volgende basisparameters zijn de meest fundamentele concepten van een lasersysteem en zijn essentieel voor het begrijpen van de meer geavanceerde punten.
1: Golflengte (typische eenheden: nm tot µm)
De golflengte van een laser beschrijft de ruimtelijke frequentie van de uitgezonden lichtgolf. De optimale golflengte voor een gegeven gebruiksscenario is sterk afhankelijk van de toepassing. Verschillende materialen hebben unieke golflengte-afhankelijke absorptie-eigenschappen bij materiaalverwerking, wat resulteert in verschillende interacties met het materiaal. Op dezelfde manier zullen atmosferische absorptie en interferentie bepaalde golflengten op een andere manier beïnvloeden bij teledetectie, en zullen verschillende complexen bepaalde golflengten op een andere manier absorberen bij medische lasertoepassingen. Lasers met een kortere golflengte en laseroptiek vergemakkelijken het creëren van kleine, nauwkeurige kenmerken met minimale perifere verwarming omdat het brandpunt kleiner is. Ze zijn echter doorgaans duurder en gemakkelijker beschadigd dan lasers met een langere golflengte.
2: Vermogen en energie (typische eenheden: W of J)
Het vermogen van een laser wordt gemeten in watt (W) en wordt gebruikt om het optische uitgangsvermogen van een continue golflaser (CW) of het gemiddelde vermogen van een gepulseerde laser te karakteriseren. Gepulseerde lasers worden ook gekenmerkt door hun pulsenergie, die evenredig is met het gemiddelde vermogen en omgekeerd evenredig met de herhalingssnelheid van de laser (Figuur 2). Energie wordt gemeten in joule (J).
Figuur 2: Visuele weergave van de relatie tussen pulsenergie, herhalingssnelheid en gemiddeld vermogen van een gepulseerde laser
Lasers met een hoger vermogen en meer energie zijn doorgaans duurder en produceren meer afvalwarmte. Het behouden van een hoge straalkwaliteit wordt ook moeilijker naarmate het vermogen en de energie toenemen.
3: Pulsduur (typische eenheden: fs tot ms)
De laserpulsduur of pulsbreedte wordt gewoonlijk gedefinieerd als de volledige breedte op halfmaximum (FWHM) van het laserlichtvermogen versus de tijd (Figuur 3). Ultrasnelle lasers bieden veel voordelen in een reeks toepassingen, waaronder precisiemateriaalverwerking en medische lasers, en worden gekenmerkt door korte pulsduur van ongeveer picoseconden (10-12 seconden) tot attoseconden (10-18 seconden).
Figuur 3: Gepulseerde laserpulsen, in de tijd gescheiden door het omgekeerde van de herhalingsfrequentie
4: Herhalingsfrequentie (typische eenheden: Hz tot MHz)
De herhalingsfrequentie of pulsherhalingsfrequentie van een gepulseerde laser beschrijft het aantal pulsen dat per seconde wordt uitgezonden of het omgekeerde tijdpulsinterval (Figuur 3). Zoals eerder vermeld is de herhalingssnelheid omgekeerd evenredig met de pulsenergie en direct evenredig met het gemiddelde vermogen. Hoewel de herhalingssnelheid gewoonlijk afhangt van het laserversterkingsmedium, kan deze in veel gevallen variëren. Hogere herhalingssnelheden resulteren in kortere thermische relaxatietijden aan het oppervlak van de laseroptiek en aan het uiteindelijke focuspunt, wat leidt tot snellere materiaalverwarming.
5: Coherentielengte (typische eenheden: millimeters tot meters)
Lasers zijn coherent, wat betekent dat er een vaste relatie bestaat tussen de fasewaarden van het elektrische veld op verschillende tijdstippen of locaties. Dit komt omdat lasers, in tegenstelling tot de meeste andere soorten lichtbronnen, worden geproduceerd door aangeslagen emissie. De coherentie neemt af tijdens het voortplantingsproces, en de coherentielengte van een laser definieert een afstand waarover de temporele coherentie van de laser op een bepaalde kwaliteit wordt gehouden.
6: Polarisatie
Polarisatie definieert de richting van het elektrische veld van een lichtgolf, die altijd loodrecht staat op de voortplantingsrichting. In de meeste gevallen zal de laser lineair gepolariseerd zijn, wat betekent dat het uitgezonden elektrische veld altijd in dezelfde richting wijst. Niet-gepolariseerd licht heeft een elektrisch veld dat in veel verschillende richtingen wijst. De mate van polarisatie wordt gewoonlijk uitgedrukt als de verhouding van de brandpuntsafstanden van licht in twee orthogonaal gepolariseerde toestanden, bijvoorbeeld 100:1 of 500:1.
Straalparameters
De volgende parameters karakteriseren de vorm en kwaliteit van een laserstraal.
7: Balkdiameter (typische eenheden: mm tot cm)
De straaldiameter van een laser karakteriseert de laterale uitbreiding van de straal, of de fysieke afmeting ervan loodrecht op de voortplantingsrichting. Het wordt gewoonlijk gedefinieerd als de 1/e2-breedte, die wordt bereikt door de straalintensiteit bij 1/e2 (≈ 13,5%). Op het 1/e2-punt daalt de elektrische veldsterkte tot 1/e (≈ 37%). Hoe groter de straaldiameter, hoe groter de optiek en het hele systeem moeten zijn om afknotting van de straal te voorkomen, wat de kosten verhoogt. Een verkleining van de straaldiameter vergroot echter de vermogens-/energiedichtheid, wat ook schadelijk kan zijn.
8: Vermogens- of energiedichtheid (typische eenheden: W/cm2 tot MW/cm2 of µJ/cm2 tot J/cm2)
De straaldiameter heeft betrekking op de vermogens-/energiedichtheid van de laserbundel of het optische vermogen/energie per oppervlakte-eenheid. Hoe groter de straaldiameter, hoe lager de vermogens-/energiedichtheid van een straal met constant vermogen of energie. Bij de uiteindelijke output van het systeem (bijvoorbeeld bij lasersnijden of lassen) is een hoge vermogens-/energiedichtheid vaak wenselijk, maar binnen het systeem is een lage vermogens-/energieconcentratie vaak gunstig om door laser veroorzaakte schade te voorkomen. Dit voorkomt ook ionisatie van de lucht in het gebied met hoge vermogens-/energiedichtheid van de straal. Om deze redenen worden laserstraalexpanders vaak gebruikt om de diameter te vergroten en daardoor de vermogens-/energiedichtheid binnen het lasersysteem te verminderen. Er moet echter op worden gelet dat de straal niet zo ver uitzet dat de straal wordt verduisterd door de openingen in het systeem, wat resulteert in verspilling van energie en mogelijke schade.
9: Straalprofiel
Het straalprofiel van een laser beschrijft de verdeelde intensiteit in de straaldoorsnede. Veel voorkomende liggerprofielen zijn onder meer Gaussiaanse en platte liggers, waarvan de liggerprofielen respectievelijk de Gaussiaanse en platte topfuncties volgen (Afbeelding 4). Geen enkele laser kan echter een volledig Gaussiaanse of volledig vlakke bovenbundel produceren met een bundelprofiel dat exact overeenkomt met zijn eigenfunctie, omdat er altijd een bepaald aantal hotspots of fluctuaties in de laser aanwezig zijn. Het verschil tussen het daadwerkelijke straalprofiel van een laser en het ideale straalprofiel wordt gewoonlijk beschreven door een metriek die de M2-factor van de laser omvat.
Figuur 4: Een vergelijking van het bundelprofiel van een Gauss-bundel met hetzelfde gemiddelde vermogen of dezelfde intensiteit en een bundel met een platte bovenkant laat zien dat de piekintensiteit van de Gauss-bundel tweemaal zo groot is als die van de bundel met een platte bovenkant.
10: Divergentie (typische eenheden: mrad)
Hoewel laserbundels doorgaans als gecollimeerd worden beschouwd, bevatten ze altijd een bepaalde mate van divergentie, die de mate beschrijft waarin de bundel als gevolg van diffractie op steeds grotere afstanden van de laserbundel divergeert. In toepassingen met lange werkafstanden, zoals LIDAR-systemen waarbij objecten zich op honderden meters afstand van het lasersysteem kunnen bevinden, wordt divergentie een bijzonder belangrijk probleem. Bundeldivergentie wordt gewoonlijk gedefinieerd door de halve hoek van de laser, en de divergentie (θ) van een Gauss-bundel wordt gedefinieerd als:
Afbeelding.
λ is de golflengte van de laser en w0 is de bundeltaille van de laser.
Laatste systeemparameters
Deze laatste parameters beschrijven de prestaties van het lasersysteem bij uitvoer.
11: Vlekgrootte (typische eenheid: µm)
De vlekgrootte van een gefocusseerde laserstraal beschrijft de straaldiameter op het brandpunt van het focusserende lenssysteem. Bij veel toepassingen, zoals materiaalverwerking en medische chirurgie, is het doel de vlekgrootte te minimaliseren. Dit maximaliseert de vermogensdichtheid en maakt het mogelijk uitzonderlijk fijne eigenschappen te creëren. Asferische lenzen worden vaak gebruikt in plaats van traditionele sferische lenzen om sferische aberratie te minimaliseren en kleinere brandpuntsgroottes te produceren. Sommige soorten lasersystemen focusseren de laser uiteindelijk niet op de plek, in welk geval deze parameter niet van toepassing is.
12: Werkafstand (typische eenheden: µm tot m)
De werkafstand van een lasersysteem wordt doorgaans gedefinieerd als de fysieke afstand van het uiteindelijke optische element (meestal de focusseringslens) tot het object of oppervlak waarop de laser is scherpgesteld. Bepaalde toepassingen, zoals medische lasers, proberen doorgaans de werkafstand te minimaliseren, terwijl andere toepassingen, zoals teledetectie, doorgaans gericht zijn op het maximaliseren van hun werkafstandbereik.
