Der er en bred vifte af generelle lasersystemer til forskellige applikationer såsom materialebehandling, laserkirurgi og fjernmåling, men mange lasersystemer deler fælles nøgleparametre. Etablering af fælles terminologi for disse parametre forhindrer misforståelser, og forståelsen af dem giver mulighed for korrekt specifikation af lasersystemer og komponenter for at opfylde applikationskravene.
Grundlæggende parametre
Følgende grundlæggende parametre er de mest grundlæggende begreber i et lasersystem og er afgørende for at forstå de mere avancerede punkter.
1: Bølgelængde (typiske enheder: nm til µm)
Bølgelængden af en laser beskriver den rumlige frekvens af den udsendte lysbølge. Den optimale bølgelængde for en given anvendelse er meget afhængig af applikationen. Ved materialebearbejdning har forskellige materialer unikke bølgelængdeafhængige absorptionsegenskaber, der resulterer i forskellige interaktioner med materialet. Tilsvarende kan atmosfærisk absorption og interferens i fjernmåling påvirke visse bølgelængder forskelligt, og i medicinske laserapplikationer kan forskellige komplekser absorbere visse bølgelængder forskelligt. Kortere bølgelængde lasere og laseroptik hjælper med at skabe små, præcise funktioner med minimal perifer opvarmning, fordi brændpunktet er mindre. De er dog typisk dyrere og lettere beskadiget end lasere med længere bølgelængde.
2: Effekt og energi (typiske enheder: W eller J)
Effekten af en laser måles i watt (W) og bruges til at beskrive den optiske effekt fra en kontinuerlig bølge (CW) laser eller den gennemsnitlige effekt af en pulserende laser. Pulserende lasere er også karakteriseret ved deres pulsenergi, som er proportional med den gennemsnitlige effekt og omvendt proportional med laserens gentagelseshastighed (figur 2). Energien måles i joule (J).
Højere effekt- og energilasere er normalt dyrere, og de producerer mere spildvarme. At opretholde høj strålekvalitet bliver også vanskeligere med øget kraft og energi.
3: Pulsvarighed (typiske enheder: fs til ms)
Lasers pulsvarighed eller pulsbredde er sædvanligvis defineret som den fulde bredde ved halvmaksimum (FWHM) af laserlyseffekten kontra tid (figur 3). Ultrahurtige lasere tilbyder mange fordele i en række applikationer, herunder præcisionsmaterialebehandling og medicinske lasere, og er karakteriseret ved korte pulsvarigheder på omkring picosekunder (10-12 sekunder) til attosekunder (10-18 sekunder).
4: Gentagelseshastighed (typiske enheder: Hz til MHz)
Gentagelseshastigheden eller pulsgentagelsesfrekvensen for en pulseret laser beskriver antallet af pulser udsendt pr. sekund eller det omvendte tidspulsinterval (figur 3). Som tidligere nævnt er gentagelseshastigheden omvendt proportional med pulsenergien og direkte proportional med den gennemsnitlige effekt. Mens gentagelseshastigheden normalt er afhængig af laserforstærkningsmediet, kan den variere i mange tilfælde. Højere gentagelseshastigheder resulterer i kortere termiske afslapningstider ved laserens optiske overflade og ved det endelige fokus, hvilket fører til hurtigere materialeopvarmning.
5: Kohærenslængde (typiske enheder: millimeter til meter)
Lasere er kohærente, hvilket betyder, at der er en fast sammenhæng mellem faseværdierne af det elektriske felt på forskellige tidspunkter eller steder. Dette skyldes, at i modsætning til de fleste andre typer lyskilder, produceres lasere ved exciteret emission. Kohærens aftager gennem transmissionsprocessen, og laserens kohærenslængde bestemmer den afstand, over hvilken laserens tidsmæssige sammenhæng forbliver i en vis kvalitet.
6: Polarisering
Polarisering bestemmer retningen af det elektriske felt af en lysbølge, som altid er vinkelret på udbredelsesretningen. I de fleste tilfælde vil laseren være lineært polariseret, hvilket betyder, at det udsendte elektriske felt altid peger i samme retning. Upolariseret lys vil have et elektrisk felt, der peger i mange forskellige retninger. Polarisering udtrykkes normalt som forholdet mellem lysets brændvidder i to ortogonalt polariserede tilstande, for eksempel 100:1 eller 500:1.
Stråleparametre
Følgende parametre karakteriserer formen og kvaliteten af en laserstråle.
7: Bjælkediameter (typiske enheder: mm til cm)
Strålediameteren af en laser karakteriserer strålens laterale forlængelse eller den fysiske dimension vinkelret på udbredelsesretningen. Det er normalt defineret som 1/e2 bredden, dvs. bredden opnået af stråleintensiteten ved 1/e2 (≈13,5%). Ved 1/e2-punktet falder den elektriske feltstyrke til 1/e (≈37%). Jo større strålediameteren er, jo større skal optikken og hele systemet være for at undgå stråleafskæring, hvilket øger omkostningerne. Et fald i strålediameteren øger imidlertid effekt-/energitætheden, hvilket også er skadeligt.
8: Effekt eller energitæthed (typiske enheder: W/cm2 til MW/cm2 eller µJ/cm2 til J/cm2)
Strålediameteren relaterer sig til laserstrålens effekt/energitæthed eller den optiske effekt/energi pr. arealenhed. Jo større strålediameteren er, jo lavere er effekt/energitætheden af den konstante effekt eller konstant energistråle. Ved systemets endelige output (f.eks. ved laserskæring eller svejsning) kræves der sædvanligvis en høj effekt/energitæthed, men i systemet er en lav effekt/energikoncentration sædvanligvis gavnlig til at forhindre laserinduceret skade. Dette forhindrer også luftionisering i strålens område med høj effekt/energitæthed. Blandt andet af disse grunde bruges laserstråleekspandere ofte til at øge diameteren og dermed reducere effekt/energitætheden inde i lasersystemet. Man skal dog passe på ikke at udvide strålen så stor, at strålen skjules fra systemets åbning, hvilket resulterer i spild af energi og potentiel skade.
9: Stråleprofil
Stråleprofilen af en laser beskriver den fordelte intensitet i stråletværsnittet. Almindelige bjælkeprofiler omfatter Gauss- og fladtop-bjælker, som følger henholdsvis Gauss- og fladtop-funktioner (Figur 4). Men da der altid er et vist antal hot spots eller fluktuationer inde i laseren, kan ingen laser producere en fuldt Gaussisk eller fuldt flad stråle, der nøjagtigt stemmer overens med dens egenfunktion. Forskellen mellem den faktiske stråleprofil af en laser og den ideelle stråleprofil beskrives sædvanligvis af en metrik, der indeholder laserens M2-faktor.
10: Divergens (typisk enhed: mrad)
Selvom laserstråler generelt betragtes som kollimerede, indeholder de altid en vis grad af divergens, som beskriver i hvilket omfang strålen divergerer i stigende afstand fra laserstrålens talje på grund af diffraktion. I applikationer med lange driftsafstande, såsom LIDAR-systemer, hvor objekter kan være hundreder af meter fra lasersystemet, bliver divergens et særligt vigtigt spørgsmål. Stråledivergens er normalt defineret ud fra laserens halve vinkel, og divergensen (θ) af en Gauss-stråle er defineret som.
λ er laserens bølgelængde, og w0 er laserens stråletalje.
Endelige systemparametre
Disse sidste parametre beskriver lasersystemets ydeevne ved output.
11: Pletstørrelse (typisk enhed: µm)
Punktstørrelsen af en fokuseret laserstråle beskriver strålediameteren ved fokuspunktet for fokuslinsesystemet. I mange applikationer, såsom materialebehandling og medicinsk kirurgi, er målet at minimere pletstørrelsen. Dette maksimerer strømtætheden og tillader skabelsen af exceptionelt fine funktioner (Figur 5). Asfæriske linser bruges ofte i stedet for konventionelle sfæriske linser for at minimere sfærisk aberration og producere mindre brændpunktsstørrelser. Nogle typer lasersystemer fokuserer i sidste ende ikke laseren på stedet, i hvilket tilfælde denne parameter ikke er anvendelig.
12: Arbejdsafstand (typisk enhed: µm til m)
Arbejdsafstanden for et lasersystem er generelt defineret som den fysiske afstand fra det endelige optiske element (normalt en fokuseringslinse) til objektet eller overfladen, som laseren er fokuseret på. Nogle applikationer, såsom medicinske lasere, søger ofte at minimere arbejdsafstanden, mens andre applikationer, såsom fjernmåling, ofte har til formål at maksimere deres arbejdsafstand.
