Hi ha una àmplia gamma de sistemes làser comuns per a una varietat d'aplicacions, com ara processament de materials, cirurgia làser i teledetecció, però molts sistemes làser comparteixen paràmetres clau comuns. L'establiment d'una terminologia comuna per a aquests paràmetres evita la mala comunicació, i la seva comprensió permet una especificació adequada dels sistemes i components làser per complir els requisits de l'aplicació.
Figura 1: Esquema d'un sistema de processament de material làser comú, on cadascun dels 10 paràmetres clau d'un sistema làser es representa amb un número corresponent
Paràmetres bàsics
Els següents paràmetres bàsics són els conceptes més fonamentals d'un sistema làser i són essencials per entendre els punts més avançats.
1: Longitud d'ona (unitats típiques: nm a µm)
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 faciliten la creació de característiques petites i precises amb un escalfament perifèric mínim perquè el punt focal és més petit. Tanmateix, solen ser més cars i es fan malbé més fàcilment 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 caracteritzar 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 solen ser més cars i produeixen més calor residual. Mantenir una alta qualitat del feix també es fa més difícil amb l'augment de 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 de la llum làser en funció del temps (figura 3). Els làsers ultraràpids ofereixen molts avantatges en una sèrie d'aplicacions, com ara el processament de materials de precisió i els làsers mèdics, i es caracteritzen per durades de pols curtes d'uns picosegons (10-12 segons) a attosegons (10-18 segons).
Figura 3: polsos làser polsats separats en el temps pel recíproc de la freqüència de repetició
4: taxa de repetició (unitats típiques: Hz a MHz)
La freqüència 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 freqüència de repetició sol depèn 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 punt d'enfocament final, la qual cosa condueix a un escalfament més ràpid del material.
5: Longitud de coherència (unitats típiques: mil·límetres a metres)
Els làsers són coherents, la qual cosa significa que hi ha una relació fixa entre els valors de fase del camp elèctric en diferents moments o llocs. Això es deu al fet que, a diferència de la majoria dels altres tipus de fonts de llum, els làsers es produeixen per emissió excitada. La coherència es degrada al llarg del procés de propagació, i la longitud de coherència d'un làser defineix una distància sobre la qual la coherència temporal del làser es manté amb una certa qualitat.
6: Polarització
La polarització defineix la direcció del camp elèctric d'una ona lluminosa, que sempre és perpendicular a la direcció de propagació. En la majoria dels casos, el làser estarà polaritzat linealment, el que significa que el camp elèctric emès sempre apunta en la mateixa direcció. La llum no polaritzada tindrà un camp elèctric que apunta en moltes direccions diferents. El grau de polarització s'expressa normalment com la relació de les distàncies focals de la llum en dos estats polaritzats ortogonalment, per exemple, 100:1 o 500:1.
Paràmetres del feix
Els paràmetres següents caracteritzen la forma i la qualitat d'un 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 dimensió física perpendicular a la direcció de propagació. Normalment es defineix com l'amplada 1/e2, que s'assoleix per la intensitat del feix 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 MW/cm2 o µJ/cm2 a J/cm2)
El diàmetre del feix es relaciona amb la densitat de potència/energia del raig làser o la potència/energia òptica per unitat d'àrea. Com més gran sigui el diàmetre del feix, menor serà la densitat de potència/energia d'un feix amb potència o energia constant. A la sortida final del sistema (per exemple, en tall làser o soldadura), sovint és desitjable una alta densitat de potència/energia, però dins del sistema, una concentració baixa de potència/energia sovint és beneficiosa per evitar danys induïts per làser. Això també evita la ionització de l'aire a la regió d'alta potència/densitat energètica del feix. 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 el feix tant que el feix quedi enfosquit de les obertures del sistema, donant lloc a malbaratament d'energia i danys potencials.
9: Perfil de biga
El perfil del feix d'un làser descriu la intensitat distribuïda en la secció transversal del feix. Els perfils de feix comuns inclouen feixos gaussians i de part superior plana, els perfils de feix dels quals segueixen les funcions gaussiana i plana, respectivament (figura 4). Tanmateix, cap làser pot produir un feix superior completament gaussià o completament pla amb un perfil de feix que coincideixi exactament amb la seva funció pròpia, perquè sempre hi ha un cert nombre 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 normalment es descriu mitjançant una mètrica que inclou el factor M2 del làser.
Figura 4: Una comparació del perfil del feix d'un feix gaussià amb la mateixa potència o intensitat mitjana i un feix de part superior plana mostra que la intensitat màxima del feix gaussià és el doble de la del feix de part superior plana.
10: divergència (unitats típiques: mrad)
Tot i que els raigs làser solen considerar-se 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 amb llargues distàncies de funcionament, com els sistemes LIDAR on els objectes poden estar a centenars de metres de distància del sistema làser, la divergència esdevé un tema especialment important. La divergència del feix normalment es defineix pel mig angle del làser, i la divergència (θ) d'un feix gaussià es defineix com:
Imatge.
λ 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 (unitat típica: µm)
La mida del punt d'un feix làser enfocat descriu el diàmetre del feix al punt focal del sistema de lent d'enfocament. En moltes aplicacions, com ara 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 funcions excepcionalment fines. Les lents asfèriques s'utilitzen sovint en lloc de les lents esfèriques tradicionals per minimitzar l'aberració esfèrica i produir mides de punts focals més petites. Alguns tipus de sistemes làser no enfocan finalment el làser al punt, en aquest cas aquest paràmetre no s'aplica.
12: Distància de treball (unitats típiques: µm a m)
La distància de treball d'un sistema làser es defineix generalment com la distància física des de l'element òptic final (normalment la 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 aplicacions, com la teledetecció, solen maximitzar el seu rang de distància de treball.
