Hi ha una àmplia gamma de sistemes làser comuns utilitzats en una varietat d'aplicacions, com ara el processament de materials, la cirurgia làser i la teledetecció, però molts sistemes làser tenen paràmetres clau comuns. Establir una terminologia comuna per a aquests paràmetres evita errors de comunicació i comprendre'ls permet especificar correctament el sistema làser i els components per satisfer els requisits de l'aplicació.
Figura 1: Diagrama esquemàtic d'un sistema de processament de material làser comú, on cadascun dels 10 paràmetres clau del sistema làser es representa amb un número corresponent
Paràmetres bàsics
Els següents paràmetres bàsics són els conceptes més bàsics dels sistemes làser, i també són crítics per entendre punts més avançats
1: Longitud d'ona (unitats típiques: nm a um)
La longitud d'ona d'un làser descriu la freqüència espacial de l'ona de llum emesa. La longitud d'ona òptima per a un cas d'ús determinat depèn molt de l'aplicació. Els diferents materials tindran propietats d'absorció úniques depenent de la longitud d'ona en el processament del material, donant lloc a diferents interaccions amb el material. De la mateixa manera, l'absorció i la interferència atmosfèrica afectaran determinades longituds d'ona de manera diferent en la teledetecció, i diversos complexos absorbiran determinades longituds d'ona de manera diferent en aplicacions làser mèdiques. Els làsers de longitud d'ona més curta i l'òptica làser són beneficiosos per crear característiques petites i precises amb un escalfament perifèric mínim perquè el punt focal és més petit. Tanmateix, generalment són més cars i més susceptibles a danys que els làsers de longitud d'ona més llarga.
2: potència i energia (unitats típiques: W o J)
La potència d'un làser es mesura en watts (W) i s'utilitza per descriure la potència òptica de sortida d'un làser d'ona contínua (CW) o la potència mitjana d'un làser polsat. Els làsers polsats també es caracteritzen per la seva energia de pols, que és proporcional a la potència mitjana i inversament proporcional a la freqüència de repetició del làser (figura 2). L'energia es mesura en Joules (J).
Figura 2: Representació visual de la relació entre l'energia del pols, la freqüència de repetició i la potència mitjana d'un làser polsat
Els làsers de major potència i energia són generalment més cars i generen més calor residual. Mantenir una alta qualitat del feix també es fa cada cop més difícil a mesura que augmenten la potència i l'energia.
3: Durada del pols (unitats típiques: fs a ms)
La durada del pols làser o l'amplada del pols es defineix normalment com l'amplada total a la meitat màxima (FWHM) de la potència òptica del làser en funció del temps (figura 3). Els làsers ultraràpids ofereixen molts avantatges en una varietat d'aplicacions, com ara el processament de materials de precisió i làsers mèdics. Es caracteritzen per durades de pols curtes de l'ordre de picosegons (10-12 segons) a attosegons (10-18 i menys
P(W)
1/Taxa de repetició
Temps de compra del compte públic
Figura 3: Els polsos d'un làser polsat estan separats en el temps per la inversa de la freqüència de repetició
4: taxa de repetició (unitats típiques: Hz a MHz)
La taxa de repetició o freqüència de repetició de polsos d'un làser polsat descriu el nombre de polsos emesos per segon o l'interval de pols de temps invers (figura 3). Com s'ha esmentat anteriorment, la velocitat de repetició és inversament proporcional a l'energia del pols i directament proporcional a la potència mitjana. Tot i que la velocitat de repetició depèn generalment del mitjà de guany del làser, pot variar en molts casos. Les taxes de repetició més altes donen lloc a temps de relaxació tèrmica més curts a la superfície de l'òptica làser i al focus final, el que resulta en un escalfament més ràpid del material.
5: Longitud de coherència (unitats típiques: mil·límetres a metres)
El làser és coherent, el que significa que els corrents elèctrics en diferents moments o llocs són coherents. Hi ha una relació fixa entre els valors de la fase de camp. Això es deu al fet que els làsers, a diferència de la majoria d'altres tipus de fonts de llum, es produeixen per emissió estimulada. La longitud de coherència defineix una distància sobre la qual la coherència temporal de la llum làser es manté constant durant tota la propagació de la llum làser, sense degradació durant el procés.
6: Polarització
La polarització defineix la direcció del camp elèctric de l'ona lluminosa, "sempre és perpendicular a la direcció de propagació. En la majoria dels casos, la llum làser estarà polaritzada linealment, és a dir, el camp elèctric emès sempre apunta en la mateixa direcció. Llum no polaritzada. tindrà un camp elèctric apuntant en moltes direccions diferents El grau de polarització s'expressa normalment com la relació de la potència òptica de dos estats de polarització ortogonal, com ara 100:1 o 500:1.
Paràmetres del feix
Els paràmetres següents caracteritzen la forma i la qualitat del raig làser.
7: Diàmetre del feix (unitats típiques: mm a cm)
El diàmetre del feix d'un làser caracteritza l'extensió lateral del feix, o la seva mida física perpendicular a la direcció de propagació. Normalment es defineix com l'amplada 1/e2, que és l'amplada de la intensitat del feix fins a 1/e2 (=13,5%). En el punt 1/e2, la intensitat del camp elèctric baixa a 1/e (=37%). Com més gran sigui el diàmetre del feix, més gran serà l'òptica i tot el sistema ha de ser per evitar el truncat del feix, la qual cosa augmenta el cost. Tanmateix, una reducció del diàmetre del feix augmenta la densitat de potència/energia, que també pot ser perjudicial.
8: potència o densitat d'energia (unitats típiques: W/cm2 a MWicm2 o uJ/cm2 a J/cm2)
El diàmetre del feix està relacionat amb la densitat de potència/energia del feix làser. La densitat d'energia, o la quantitat de potència/energia òptica per unitat d'àrea. Com més gran sigui el diàmetre del feix, menor serà la densitat de potència/energia del feix per a una potència o energia constant. Sovint és desitjable una alta densitat de potència/energia a la sortida final del sistema (per exemple, en tall o soldadura per làser), però les concentracions baixes de potència/energia solen ser beneficioses dins del sistema per evitar danys induïts per làser. Això també evita que les zones d'alta potència/densitat energètica del feix ionitzin l'aire. Per aquests motius, entre d'altres, sovint s'utilitzen expansors de raig làser per augmentar el diàmetre i reduir així la densitat de potència/energia dins del sistema làser. Tanmateix, s'ha de tenir cura de no expandir massa el feix de manera que quedi bloquejat de les obertures del sistema, la qual cosa comporta un malbaratament d'energia i un dany potencial.
9: Perfil de biga
El perfil del feix d'un làser descriu la intensitat distribuïda sobre la secció transversal del feix. Els perfils de feix comuns inclouen bigues gaussianes i bigues de part superior plana, els perfils de feix dels quals segueixen la funció gaussiana i la funció de part superior plana, respectivament (figura 4). Tanmateix, cap làser pot produir un feix completament gaussià o completament pla amb un perfil de feix que coincideixi exactament amb la seva funció característica, perquè sempre hi ha una certa quantitat de punts calents o fluctuacions dins del làser. La diferència entre el perfil de feix real d'un làser i el perfil de feix ideal sovint es descriu mitjançant mètriques que inclouen el factor M2 del làser
Perfils de feix superior gaussians i plans
Figura 4: La comparació dels perfils del feix d'un feix gaussià i un feix superior pla d'igual potència o intensitat mitjana mostra que la intensitat màxima del feix gaussià és el doble de la del feix superior pla.
10: divergència (unitats típiques: mrad)
Tot i que els raigs làser sovint es consideren col·limats, sempre contenen una certa quantitat de divergència, que descriu el grau en què el feix divergeix a distàncies creixents de la cintura del raig làser a causa de la difracció. En aplicacions de llarga distància de treball, com els sistemes LiDAR, on els objectes poden estar a centenars de metres de distància del sistema làser, la divergència es converteix en un tema especialment important. La divergència del feix sovint es defineix pel mig angle del làser, i la divergència d'un feix gaussià (0) es defineix com:
W és la longitud d'ona del làser i w0 és la cintura del feix del làser
Paràmetres finals del sistema
Aquests paràmetres finals descriuen el rendiment del sistema làser a la sortida
11: mida del punt (unitats típiques: um)
La mida del punt d'un feix làser enfocat descriu el diàmetre del feix al focus del sistema de lent d'enfocament. En moltes aplicacions com el processament de materials i la cirurgia mèdica, l'objectiu és minimitzar la mida de la taca. Això maximitza la densitat de potència i permet la creació de característiques especialment fines (figura 5). Sovint s'utilitzen lents asfèriques en lloc de les lents esfèriques tradicionals per reduir les aberracions esfèriques i produir mides de punts focals més petites. Alguns tipus de sistemes làser no enfocan finalment el làser a un punt, en aquest cas aquest paràmetre no s'aplica.
Figura 5: Els experiments de micromecanitzat làser a l'Institut Italià de Tecnologia mostren un 10-augment de l'eficiència de l'ablació en un sistema de perforació làser de nanosegons quan la mida del punt es redueix de 220um a 9um a un cabal constant.
12: Distància de treball (unitats típiques: um a m)
La distància de treball d'un sistema làser es defineix normalment com la distància física des de l'element òptic final (generalment una lent d'enfocament) fins a l'objecte o superfície en què s'enfoca el làser. Algunes aplicacions, com ara els làsers mèdics, solen intentar minimitzar la distància de treball, mentre que altres, com la teledetecció, solen intentar maximitzar el seu rang de distància de treball.
