Malzeme işleme, lazer cerrahisi ve uzaktan algılama gibi çeşitli uygulamalara yönelik çok çeşitli genel amaçlı lazer sistemleri mevcuttur, ancak birçok lazer sistemi ortak anahtar parametreleri paylaşır. Bu parametreler için ortak terminoloji oluşturmak yanlış anlamaları önler ve bunların anlaşılması, lazer sistemlerinin ve bileşenlerinin uygulama gereksinimlerini karşılayacak şekilde doğru şekilde belirlenmesine olanak tanır.
Temel parametreler
Aşağıdaki temel parametreler bir lazer sisteminin en temel kavramlarıdır ve daha ileri noktaları anlamak için gereklidir.
1: Dalga boyu (tipik birimler: nm'den µm'ye)
Bir lazerin dalga boyu, yayılan ışık dalgasının uzaysal frekansını tanımlar. Belirli bir kullanım durumu için en uygun dalga boyu büyük ölçüde uygulamaya bağlıdır. Malzeme işlemede, farklı malzemeler, malzeme ile farklı etkileşimlere yol açan, dalga boyuna bağlı benzersiz emme özelliklerine sahiptir. Benzer şekilde uzaktan algılamada atmosferik emilim ve girişim belirli dalga boylarını farklı şekilde etkileyebilir ve tıbbi lazer uygulamalarında çeşitli kompleksler belirli dalga boylarını farklı şekilde emebilir. Daha kısa dalga boyuna sahip lazerler ve lazer optikleri, odak noktası daha küçük olduğundan minimum çevresel ısınmayla küçük, hassas özellikler oluşturmaya yardımcı olur. Bununla birlikte, genellikle daha pahalıdırlar ve daha uzun dalga boyuna sahip lazerlere göre daha kolay hasar görürler.
2: Güç ve Enerji (tipik birimler: W veya J)
Bir lazerin gücü watt (W) cinsinden ölçülür ve sürekli dalga (CW) lazerinden optik güç çıkışını veya darbeli bir lazerin ortalama gücünü tanımlamak için kullanılır. Darbeli lazerler aynı zamanda ortalama güçle orantılı ve lazerin tekrarlama hızıyla ters orantılı olan darbe enerjileriyle de karakterize edilir (Şekil 2). Enerji joule (J) cinsinden ölçülür.
Daha yüksek güç ve enerjiye sahip lazerler genellikle daha pahalıdır ve daha fazla atık ısı üretirler. Güç ve enerjinin artmasıyla birlikte yüksek ışın kalitesini korumak da daha zor hale gelir.
3: Darbe Süresi (tipik birimler: fs'den ms'ye)
Lazer darbe süresi veya darbe genişliği genellikle zamana karşı lazer ışığı gücünün yarı maksimumunda (FWHM) tam genişlik olarak tanımlanır (Şekil 3). Ultra hızlı lazerler, hassas malzeme işleme ve tıbbi lazerler de dahil olmak üzere bir dizi uygulamada birçok avantaj sunar ve yaklaşık pikosaniyeden (10-12 saniye) attosaniyeye (10-18 saniye) kadar kısa darbe süreleriyle karakterize edilir.
4: Tekrarlama oranı (tipik birimler: Hz'den MHz'e)
Atımlı bir lazerin tekrarlama oranı veya atım tekrarlama frekansı, saniyede yayılan atım sayısını veya ters zamanlı atım aralığını tanımlar (Şekil 3). Daha önce de belirttiğimiz gibi tekrarlama oranı darbe enerjisiyle ters, ortalama güçle doğru orantılıdır. Tekrarlama oranı genellikle lazer kazanç ortamına bağlı olsa da birçok durumda değişiklik gösterebilir. Daha yüksek tekrarlama oranları, lazerin optik yüzeyinde ve son odakta daha kısa termal gevşeme sürelerine neden olarak malzemenin daha hızlı ısınmasına yol açar.
5: Tutarlılık uzunluğu (tipik birimler: milimetreden metreye)
Lazerler tutarlıdır; bu, elektrik alanının farklı zaman veya konumlardaki faz değerleri arasında sabit bir ilişki olduğu anlamına gelir. Bunun nedeni, diğer ışık kaynaklarının çoğundan farklı olarak lazerlerin uyarılmış emisyonla üretilmesidir. İletim süreci boyunca tutarlılık azalır ve lazerin tutarlılık uzunluğu, lazerin zamansal tutarlılığının belirli bir kalitede kalacağı mesafeyi belirler.
6: Polarizasyon
Polarizasyon, bir ışık dalgasının elektrik alanının yönünü belirler; bu, her zaman yayılma yönüne diktir. Çoğu durumda lazer doğrusal olarak polarize olacaktır; bu, yayılan elektrik alanının her zaman aynı yöne işaret ettiği anlamına gelir. Polarize olmayan ışık, birçok farklı yöne işaret eden bir elektrik alanına sahip olacaktır. Polarizasyon genellikle iki dik polarize durumdaki ışığın odak uzunluklarının oranı olarak ifade edilir, örneğin 100:1 veya 500:1.
Işın parametreleri
Aşağıdaki parametreler bir lazer ışınının şeklini ve kalitesini karakterize eder.
7: Kiriş çapı (tipik birimler: mm'den cm'ye)
Bir lazerin ışın çapı, ışının yanal uzantısını veya yayılma yönüne dik olan fiziksel boyutu karakterize eder. Genellikle 1/e2 genişliği, yani 1/e2'deki ışın yoğunluğunun (≈%13,5) elde ettiği genişlik olarak tanımlanır. 1/e2 noktasında elektrik alan şiddeti 1/e'ye (≈%37) düşer. Işın çapı ne kadar büyük olursa, ışın kesilmesini önlemek için optiklerin ve tüm sistemin de o kadar büyük olması gerekir, bu da maliyeti artırır. Ancak ışın çapının azalması güç/enerji yoğunluğunu arttırır ve bu da zararlıdır.
8: Güç veya Enerji Yoğunluğu (tipik birimler: W/cm2 ila MW/cm2 veya µJ/cm2 ila J/cm2)
Işın çapı, lazer ışınının güç/enerji yoğunluğuna veya birim alan başına optik güç/enerjiye bağlıdır. Işın çapı ne kadar büyük olursa, sabit güç veya sabit enerji ışınının güç/enerji yoğunluğu da o kadar düşük olur. Sistemin nihai çıktısında (örn. lazer kesim veya kaynakta), genellikle yüksek bir güç/enerji yoğunluğu gerekir, ancak sistem içerisinde düşük bir güç/enerji konsantrasyonu, lazerin neden olduğu hasarın önlenmesinde genellikle faydalıdır. Bu aynı zamanda ışının yüksek güç/enerji yoğunluğu bölgesinde hava iyonizasyonunu da önler. Bu nedenlerden dolayı, diğerlerinin yanı sıra, çapı arttırmak ve dolayısıyla lazer sistemi içindeki güç/enerji yoğunluğunu azaltmak için sıklıkla lazer ışını genişleticiler kullanılır. Bununla birlikte, ışının sistemin açıklığından gizlenmesine neden olacak kadar büyük bir ışın uzatmamaya dikkat edilmelidir, bu da enerji israfına ve potansiyel hasara neden olur.
9: Kiriş Profili
Bir lazerin ışın profili, ışın kesitindeki dağıtılmış yoğunluğu tanımlar. Ortak kiriş profilleri, sırasıyla Gauss ve düz tepe fonksiyonlarını takip eden Gauss ve düz tepeli kirişleri içerir (Şekil 4). Bununla birlikte, lazerin içinde her zaman belirli sayıda sıcak nokta veya dalgalanma bulunduğundan, hiçbir lazer, öz fonksiyonuna tam olarak uyan, tamamen Gaussian veya tamamen düz tepeli bir ışın üretemez. Bir lazerin gerçek ışın profili ile ideal ışın profili arasındaki fark genellikle lazerin M2 faktörünü içeren bir metrikle tanımlanır.
10: Iraksama (tipik birim: mrad)
Lazer ışınlarının genel olarak koşutlanmış olduğu kabul edilse de, her zaman belirli bir miktarda sapma içerirler; bu, kırınıma bağlı olarak lazer ışınının bel kısmından artan mesafelerde ışının ne kadar saptığını tanımlar. Nesnelerin lazer sisteminden yüzlerce metre uzakta olabildiği LIDAR sistemleri gibi uzun çalışma mesafelerine sahip uygulamalarda, sapma özellikle önemli bir sorun haline gelir. Işın sapması genellikle lazerin yarı açısı cinsinden tanımlanır ve Gauss ışınının sapması (θ) şu şekilde tanımlanır.
λ lazerin dalga boyudur ve w0 lazerin ışın belidir.
Nihai Sistem Parametreleri
Bu son parametreler, lazer sisteminin çıkıştaki performansını tanımlar.
11: Nokta Boyutu (tipik birim: µm)
Odaklanmış bir lazer ışınının nokta boyutu, odaklanan mercek sisteminin odak noktasındaki 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 olağanüstü ince özelliklerin oluşturulmasına olanak tanır (Şekil 5). Küresel olmayan mercekler, küresel sapmayı en aza indirmek ve daha küçük odak noktası boyutları üretmek için genellikle geleneksel küresel merceklerin yerine kullanılır. Bazı lazer sistemi türleri, lazeri nihai olarak noktaya odaklamaz; bu durumda bu parametre geçerli değildir.
12: Çalışma mesafesi (tipik birim: µm ila m)
Bir lazer sisteminin çalışma mesafesi genel olarak son optik elemandan (genellikle odaklama merceği) lazerin odaklandığı nesneye veya yüzeye olan fiziksel mesafe olarak tanımlanır. Tıbbi lazerler gibi bazı uygulamalar genellikle çalışma mesafesini en aza indirmeyi hedeflerken, uzaktan algılama gibi diğer uygulamalar genellikle çalışma mesafesi aralığını maksimuma çıkarmayı hedefler.
