Ključni parametri laserskih sustava u laserskom označavanju

U raznim primjenama kao što su obrada materijala, laserska kirurgija, daljinska detekcija i posebnolasersko označavanje, postoji niz uobičajenih laserskih sustava. Mnogi od ovih laserskih sustava dijele ključne parametre. Uspostavljanje univerzalnih uvjeta za ove parametre može spriječiti pogrešno predstavljanje, a razumijevanjem ovih uvjeta možete ispravno specificirati laserske sustave i komponente kako bi zadovoljili vaše potrebe primjene.

Fig. 1: Schematic diagram of a common laser material processing system, in which 10 key parameters of the laser system are represented by corresponding numbers — Slika 1: Shematski dijagram uobičajenog laserskog sustava za obradu materijala, u kojem je 10 ključnih parametara laserskog sustava predstavljeno odgovarajućim brojevima

NO.1 Valna duljina: Valna duljina lasera temeljni je parametar koji opisuje prostornu frekvenciju emitiranog svjetlosnog vala. Laseri različitih valnih duljina igraju ulogu u različitim primjenama. U obradi materijala različiti materijali imaju različite karakteristike apsorpcije za različite valne duljine, pa je i interakcija s materijalom različita. Laseri kraće valne duljine i laserska optika imaju prednosti u stvaranju malih i preciznih značajki, s manjim perifernim zagrijavanjem. Međutim, ti su uređaji obično skuplji i lomljiviji u usporedbi s laserima s većim valnim duljinama.

NO.2 Snaga: Snaga lasera obično se mjeri u vatima (W), a koristi se za opisivanje izlazne optičke snage lasera s kontinuiranim valom (CW) ili prosječne snage pulsirajućih lasera. Karakteristika pulsirajućih lasera je da im je energija impulsa izravno proporcionalna prosječnoj snazi i obrnuto proporcionalna brzini ponavljanja. Jedinica za energiju je džul (J). Stoga se energija pulsa može izračunati dijeljenjem prosječne snage s brzinom ponavljanja.

Fig 2: a visual representation of the relationship between pulse energy, repetition rate, and average power of pulsed lasers higher power and energy lasers are generally more expensive and generate more waste heat. As power and energy increase, it becomes more and more difficult to maintain high beam quality. — Slika 2: vizualni prikaz odnosa između energije pulsa, stope ponavljanja i prosječne snage pulsirajućih lasera Laseri veće snage i energije općenito su skuplji i stvaraju više otpadne topline. Kako se snaga i energija povećavaju, postaje sve teže održavati visoku kvalitetu snopa.

BR.3 Trajanje pulsa:Trajanje impulsa ili širina impulsa lasera obično se definira kao vrijeme koje je potrebno da laser dosegne polovicu (FWHM) svoje maksimalne optičke snage. Ultrabrze lasere karakterizira kratko trajanje impulsa, u rasponu od pikosekundi (10-12 sekundi) do atosekundi (10-18 sekundi).

Figure 3: The Pulse Interval of a pulsed laser is the reciprocal of the repetition rate — Slika 3: Interval pulsa pulsirajućeg lasera recipročna je vrijednost brzine ponavljanja

BR.4 Stopa ponavljanja:Brzina ponavljanja pulsirajućeg lasera opisuje broj emitiranih impulsa u sekundi, što je recipročna vrijednost vremenskog intervala između impulsa. Suprotno onome što je ranije spomenuto, brzina ponavljanja je obrnuto proporcionalna energiji pulsa i izravno proporcionalna prosječnoj snazi. Veća stopa ponavljanja znači da je vrijeme toplinske relaksacije površine laserskog optičkog elementa i krajnje fokusirane točke kraće, pa je brzina zagrijavanja materijala brža.

BR.5 Duljina koherencije:Laseri imaju koherenciju, što znači da postoji fiksni odnos između faznih vrijednosti električnog polja u različitim vremenima ili položajima. Ova karakteristika proizlazi iz činjenice da se laseri proizvode stimuliranom emisijom, što se razlikuje od većine drugih vrsta izvora svjetlosti. Iako će koherencija lasera postupno slabiti tijekom širenja, duljina koherencije lasera definira udaljenost na kojoj njegova vremenska koherencija ostaje na određenoj razini.

BR.6 Polarizacija:Polarizacija definira smjer električnog polja svjetlosnog vala, koji je uvijek okomit na smjer širenja. U većini slučajeva laser je linearno polariziran, odnosno emitirano električno polje uvijek je usmjereno u istom smjeru. Nasuprot tome, nepolarizirana svjetlost će proizvesti električna polja usmjerena u mnogo različitih smjerova. Polarizacija se obično izražava kao omjer snage svjetlosti između dva ortogonalna stanja polarizacije, kao što je 100:1 ili 500:1.

BR.7 Promjer grede: Promjer laserske zrake opisuje bočno proširenje zrake, odnosno fizičku veličinu okomitu na smjer širenja. Obično se promjer snopa definira na širini od 1/e², to jest točki gdje intenzitet snopa doseže 1/e² (oko 13,5%) maksimalne vrijednosti. U ovoj točki, jakost električnog polja pada na 1/e (oko 37%) maksimalne vrijednosti. Što je veći promjer snopa, to su veće optičke komponente i cijeli sustav potrebni kako bi se izbjeglo odsijecanje snopa, što rezultira povećanim troškovima. Međutim, smanjenje promjera snopa će povećati gustoću snage/energije, što će također dovesti do štetnih učinaka.

BR.8 Snaga ili gustoća energije: Snaga ili gustoća energije odnosi se na snagu ili energiju snopa po jedinici površine. Promjer snopa usko je povezan s gustoćom snage/energije. Kada snaga ili energija snopa ostane konstantna, što je veći promjer snopa, manja je gustoća snage/energije. Općenito, laseri s velikom gustoćom snage/energije idealan su krajnji učinak sustava, kao što je lasersko rezanje ili lasersko zavarivanje. Međutim, laseri s niskom gustoćom snage/energije su korisni interno za sustav, mogu smanjiti štetu uzrokovanu laserima i spriječiti područje visoke snage/visoke gustoće energije u zraku da ionizira zrak.

NO.9 Profil grede: Profil grede opisuje intenzitet raspodjele grede na presjeku. Uobičajeni profili snopa uključuju Gaussove snope i snope s ravnim vrhom, a njihovi profili snopa slijede Gaussove i funkcije s ravnim vrhom. Međutim, budući da unutar lasera uvijek postoji određeni broj vrućih točaka ili oscilacija, nijedan laser ne može proizvesti savršenu Gaussovu zraku ili savršenu zraku s ravnim vrhom koja savršeno odgovara idealnom profilu zrake. Razlika između stvarnog profila laserskog snopa i idealnog profila snopa obično se opisuje višestrukim mjernim pokazateljima (uključujući faktor M² lasera).

Figure 4: After comparing the beam profiles of Gaussian beams with the same average power or intensity and flat topped beams, it was found that the peak intensity of Gaussian beams is twice that of flat topped beams. — Slika 4: Nakon usporedbe profila Gaussovih zraka s istom prosječnom snagom ili intenzitetom i snopova s ravnim vrhom, utvrđeno je da je vršni intenzitet Gaussovih snopova dvaput veći od intenziteta snopa s ravnim vrhom.

BR.10 Razilaženje:Iako ljudi obično misle da je laserska zraka kolimirana svjetlost, zapravo će laserska zraka uvijek imati određeni stupanj divergencije. Divergencija opisuje stupanj difuzije snopa u odnosu na struk snopa nakon širenja na velike udaljenosti zbog difrakcije. U primjenama s velikim radnim udaljenostima, kao što su laserski radarski sustavi, gdje meta i laserski sustav mogu biti udaljeni stotinama metara, divergencija postaje posebno važno pitanje. Divergencija zrake obično je definirana polukutom lasera, a kut divergencije (θ) Gaussove zrake definiran je kao λ je valna duljina lasera, a w0 je strujanje laserske zrake.

BR.11 Veličina mjesta: Veličina točke opisuje promjer točke fokusirane laserske zrake, koja se nalazi u fokusu sustava leća za fokusiranje. U mnogim primjenama, kao što je obrada materijala i medicinska kirurgija, naš je cilj minimizirati veličinu točke. To može maksimalno povećati gustoću snage i stvoriti posebno fine karakteristike. Asferične leće često se koriste za zamjenu tradicionalnih sferičnih leća kako bi se smanjile sferne aberacije i smanjila veličina točke. U nekim vrstama laserskih sustava, laser na kraju neće fokusirati laser u točku, tako da se u ovom slučaju ovaj parametar ne primjenjuje.

Figure 5: Laser micromachining experiments at the Italian Institute of Technology show that the ablation efficiency of a nanosecond laser drilling system increases tenfold when the spot size is reduced from 220 microns to 9 microns at constant flux. — Slika 5: Eksperimenti laserske mikrostrojne obrade na Talijanskom institutu za tehnologiju pokazuju da se učinkovitost ablacije nanosekundnog laserskog sustava za bušenje deseterostruko povećava kada se veličina točke smanji s 220 mikrona na 9 mikrona pri konstantnom protoku.

BR.12 Radna udaljenost:Radna udaljenost laserskog sustava obično se definira kao fizička udaljenost od konačne optičke komponente (obično fokusirajuće leće) do objekta ili površine na koju je laser fokusiran. Neke aplikacije (kao što su medicinski laseri) obično pokušavaju skratiti radnu udaljenost, dok druge aplikacije (kao što je daljinsko očitavanje) obično pokušavaju proširiti raspon radne udaljenosti.