Malzeme işleme, lazer cerrahisi ve uzaktan algılama gibi çeşitli uygulamalarda kullanılan çok çeşitli ortak lazer sistemleri vardır, ancak birçok lazer sisteminin ortak anahtar parametreleri vardır. Bu parametreler için ortak terminoloji oluşturmak iletişim hatalarını önler ve bunları anlamak, lazer sisteminin ve bileşenlerinin uygulama gereksinimlerini karşılayacak şekilde doğru şekilde belirlenmesini sağlar.
Şekil 1: Lazer sisteminin 10 temel parametresinin her birinin karşılık gelen bir sayı ile gösterildiği, ortak bir lazer malzeme işleme sisteminin şematik diyagramı
Temel Parametreler
Aşağıdaki temel parametreler lazer sistemlerinin en temel kavramlarıdır ve daha gelişmiş noktaları anlamak için de kritik öneme sahiptir
1: Dalga boyu (tipik birimler: nm ila um)
Bir lazerin dalga boyu, yayılan ışık dalgasının mekansal frekansını tanımlar. Belirli bir kullanım durumu için en uygun dalga boyu, uygulamaya oldukça bağlıdır. Farklı malzemeler, malzeme işlemede benzersiz dalga boyuna bağlı emilim özelliklerine sahip olacak ve bu da malzemeyle farklı etkileşimlere neden olacaktır. Benzer şekilde, atmosferik emilim ve girişim, uzaktan algılamada belirli dalga boylarını farklı şekilde etkileyecek ve çeşitli kompleksler, tıbbi lazer uygulamalarında belirli dalga boylarını farklı şekilde emecektir. Daha kısa dalga boylu lazerler ve lazer optikleri, odak noktası daha küçük olduğundan, minimum çevresel ısıtma ile küçük ve hassas özellikler oluşturmak için faydalıdır. Ancak, genellikle daha pahalıdırlar ve daha uzun dalga boylu lazerlerden daha fazla hasara karşı hassastırlar.
2: Güç ve Enerji (Tipik Birimler: W veya J)
Bir lazerin gücü Watt (W) cinsinden ölçülür ve sürekli dalga (CW) lazerinin optik güç çıkışını veya darbeli lazerin ortalama gücünü tanımlamak için kullanılır. Darbeli lazerler ayrıca, ortalama güçle orantılı ve lazerin tekrarlama oranıyla ters orantılı olan darbe enerjileriyle de karakterize edilir (Şekil 2). Enerji Joule (J) cinsinden ölçülür.
Şekil 2: Darbe enerjisi, tekrarlama oranı ve darbeli lazerin ortalama gücü arasındaki ilişkinin görsel gösterimi
Daha yüksek güç ve enerji lazerleri genellikle daha pahalıdır ve daha fazla atık ısı üretirler. Güç ve enerji arttıkça yüksek ışın kalitesini korumak da giderek zorlaşır.
3: Darbe Süresi (Tipik Birimler: fs ila ms)
Lazer darbe süresi veya darbe genişliği genellikle lazer optik gücünün zamana göre yarı maksimumdaki tam genişlik (FWHM) olarak tanımlanır (Şekil 3). Ultra hızlı lazerler, hassas malzeme işleme ve tıbbi lazerler dahil olmak üzere çeşitli uygulamalarda birçok avantaj sunar. Pikosaniye (10-12 saniye) ila attosaniye (10-18 ve daha az) mertebesinde kısa darbe süreleriyle karakterize edilirler
P(W)
1/Tekrar Oranı
Kamu Hesabı Zaman(lar)ı Satın Alın
Şekil 3: Darbeli bir lazerin darbeleri, tekrarlama oranının tersine göre zaman içinde ayrılır
4: Tekrarlama oranı (tipik birimler: Hz ila MHz)
Darbeli bir lazerin tekrarlama oranı veya darbe tekrarlama frekansı, saniyede yayılan darbe sayısını veya ters zaman darbe aralığını (Şekil 3) tanımlar. Daha önce belirtildiği gibi, tekrarlama oranı darbe enerjisiyle ters orantılıdır ve ortalama güçle doğru orantılıdır. Tekrarlama oranı genellikle lazer kazanç ortamına bağlı olsa da, birçok durumda değişebilir. Daha yüksek tekrarlama oranları, lazer optiğinin yüzeyinde ve son odakta daha kısa termal gevşeme sürelerine neden olur ve bu da daha hızlı malzeme ısınmasıyla sonuçlanır.
5: Tutarlılık Uzunluğu (Tipik Birimler: Milimetre ila Metre)
Lazer tutarlıdır, yani farklı zamanlardaki veya konumlardaki elektrik akımları tutarlıdır. Alan faz değerleri arasında sabit bir ilişki vardır. Bunun nedeni, lazerlerin diğer ışık kaynağı türlerinin çoğundan farklı olarak uyarılmış emisyonla üretilmesidir. Tutarlılık uzunluğu, lazer ışığının zamansal tutarlılığının, süreç boyunca bozulmadan lazer ışığının yayılımı boyunca sabit kaldığı mesafeyi tanımlar.
6: Polarizasyon
Polarizasyon, ışık dalgasının elektrik alanının yönünü tanımlar, "her zaman yayılma yönüne diktir. Çoğu durumda, lazer ışığı doğrusal olarak polarize olacaktır, yani yayılan elektrik alanı her zaman aynı yöne işaret eder. Polarize olmayan ışık, birçok farklı yöne işaret eden bir elektrik alanına sahip olacaktır. Polarizasyon derecesi genellikle iki ortogonal polarizasyon durumunun optik gücünün oranı olarak ifade edilir, örneğin 100:1 veya 500:1.
Işın parametreleri
Lazer ışınının şekli ve kalitesi aşağıdaki parametrelerle karakterize edilir.
7: Kiriş Çapı (Tipik Birimler: mm ila cm)
Bir lazerin ışın çapı, ışının yanal uzantısını veya yayılma yönüne dik fiziksel boyutunu karakterize eder. Genellikle 1/e2 genişliği olarak tanımlanır, bu da ışın yoğunluğunun 1/e2'ye (=13.5%) kadar olan genişliğidir. 1/e2 noktasında, elektrik alan yoğunluğu 1/e'ye (=37%) düşer. Işın çapı ne kadar büyükse, ışın kesilmesini önlemek için optiklerin ve tüm sistemin de o kadar büyük olması gerekir, bu da maliyeti artırır. Ancak, ışın çapındaki bir azalma güç/enerji yoğunluğunu artırır, bu da zararlı olabilir.
8: Güç veya Enerji Yoğunluğu (Tipik Birimler: W/cm2 ila MWicm2 veya uJ/cm2 ila J/cm2)
Işın çapı lazer ışınının güç/enerji yoğunluğuyla ilişkilidir. Enerji yoğunluğu veya birim alan başına optik güç/enerji miktarı. Işın çapı ne kadar büyükse, sabit bir güç veya enerji için ışının güç/enerji yoğunluğu o kadar düşük olur. Yüksek güç/enerji yoğunluğu genellikle sistemin son çıktısında istenir (örneğin lazer kesim veya kaynakta), ancak düşük güç/enerji konsantrasyonları genellikle lazer kaynaklı hasarı önlemek için sistem içinde faydalıdır. Bu ayrıca ışının yüksek güç/enerji yoğunluklu alanlarının havayı iyonlaştırmasını da önler. Diğerlerinin yanı sıra bu nedenlerden dolayı, lazer ışın genişleticiler genellikle çapı artırmak ve böylece lazer sistemi içindeki güç/enerji yoğunluğunu azaltmak için kullanılır. Ancak, ışının sistemdeki açıklıklardan engellenecek kadar çok genişletilmemesine dikkat edilmelidir; bu da enerji israfına ve potansiyel hasara neden olur.
9: Kiriş Profili
Bir lazerin ışın profili, ışının kesiti üzerindeki dağıtılmış yoğunluğu tanımlar. Yaygın ışın profilleri arasında Gauss ışınları ve düz tepeli ışınlar bulunur; ışın profilleri sırasıyla Gauss fonksiyonunu ve düz tepeli fonksiyonu izler (Şekil 4). Ancak hiçbir lazer, karakteristik fonksiyonuyla tam olarak eşleşen bir ışın profiline sahip tamamen Gauss veya tamamen düz tepeli bir ışın üretemez çünkü lazerin içinde her zaman belirli miktarda sıcak nokta veya dalgalanma vardır. Bir lazerin gerçek ışın profili ile ideal ışın profili arasındaki fark genellikle lazerin M2 faktörü de dahil olmak üzere metriklerle tanımlanır
Gauss ve düz Üst Kiriş Profilleri
Şekil 4: Eşit ortalama güç veya yoğunluğa sahip bir Gauss ışınının ve düz üstlü bir ışının ışın profillerinin karşılaştırılması, Gauss ışınının tepe yoğunluğunun düz üstlü ışının iki katı olduğunu göstermektedir
10: Ayrışma (tipik birimler: mrad)
Lazer ışınları genellikle kolime edilmiş olarak kabul edilse de, her zaman belirli bir miktarda diverjans içerirler; bu, ışının kırınım nedeniyle lazerin ışın belinden artan mesafelerde ne kadar diverjans gösterdiğini açıklar. Nesnelerin lazer sisteminden yüzlerce metre uzakta olabileceği LiDAR sistemleri gibi uzun çalışma mesafesi uygulamalarında, diverjans özellikle önemli bir sorun haline gelir. Işın diverjansı genellikle lazerin yarım açısıyla tanımlanır ve bir Gauss ışınının (0) diverjansı şu şekilde tanımlanır:
W lazerin dalga boyudur ve w0 lazerin ışın bel kısmıdır
Son sistem parametreleri
Bu son parametreler, lazer sisteminin çıkıştaki performansını tanımlar
11: Nokta boyutu (tipik birimler: um)
Odaklanmış bir lazer ışınının nokta boyutu, odaklama lens sisteminin odağındaki ışın çapını tanımlar. Malzeme işleme ve tıbbi cerrahi gibi birçok uygulamada amaç nokta boyutunu en aza indirmektir. Bu, güç yoğunluğunu en üst düzeye çıkarır ve özellikle ince özelliklerin oluşturulmasına olanak tanır (Şekil 5). Küresel sapmaları azaltmak ve daha küçük odak noktası boyutları üretmek için genellikle geleneksel küresel lensler yerine asferik lensler kullanılır. Bazı lazer sistemi türleri, lazeri nihayetinde bir noktaya odaklamaz, bu durumda bu parametre geçerli değildir.
Şekil 5: İtalyan Teknoloji Enstitüsü'ndeki lazer mikroişleme deneyleri, sabit bir akış hızında nokta boyutu 220 um'den 9 um'ye düşürüldüğünde nanosaniye lazer delme sisteminde ablasyon verimliliğinde 10- kat artış olduğunu göstermektedir
12: Çalışma mesafesi (tipik birimler: um ila m)
Bir lazer sisteminin çalışma mesafesi genellikle son optik elemandan (genellikle bir odaklama merceği) lazerin odaklandığı nesneye veya yüzeye olan fiziksel mesafe olarak tanımlanır. Tıbbi lazerler gibi bazı uygulamalar genellikle çalışma mesafesini en aza indirmeyi amaçlarken, uzaktan algılama gibi diğerleri genellikle çalışma mesafesi aralıklarını en üst düzeye çıkarmayı amaçlar.
