Mae ystod eang o systemau laser cyffredin ar gyfer amrywiaeth o gymwysiadau, gan gynnwys prosesu deunyddiau, llawdriniaeth laser, a synhwyro o bell, ond mae llawer o systemau laser yn rhannu paramedrau allweddol cyffredin. Mae sefydlu terminoleg gyffredin ar gyfer y paramedrau hyn yn atal cam-gyfathrebu, ac mae eu deall yn caniatáu manyleb briodol o systemau a chydrannau laser i fodloni gofynion cymhwyso.
Ffigur 1: Sgematig o system brosesu deunydd laser gyffredin, lle mae pob un o'r 10 paramedr allweddol o system laser yn cael ei gynrychioli gan rif cyfatebol
Paramedrau Sylfaenol
Y paramedrau sylfaenol canlynol yw'r cysyniadau mwyaf sylfaenol o system laser ac maent yn hanfodol i ddeall y pwyntiau mwy datblygedig.
1: Tonfedd (unedau nodweddiadol: nm i µm)
Mae tonfedd laser yn disgrifio amledd gofodol y don golau a allyrrir. Mae'r donfedd optimaidd ar gyfer achos defnydd penodol yn dibynnu'n fawr ar y cais. Bydd gan wahanol ddeunyddiau briodweddau amsugno unigryw sy'n dibynnu ar donfedd wrth brosesu deunydd, gan arwain at ryngweithio gwahanol â'r deunydd. Yn yr un modd, bydd amsugno atmosfferig ac ymyrraeth yn effeithio ar donfeddi penodol yn wahanol mewn synhwyro o bell, a bydd cyfadeiladau amrywiol yn amsugno rhai tonfeddi yn wahanol mewn cymwysiadau laser meddygol. Mae laserau tonfedd byrrach ac opteg laser yn hwyluso creu nodweddion bach, manwl gywir heb fawr o wres ymylol oherwydd bod y man ffocal yn llai. Fodd bynnag, maent fel arfer yn ddrytach ac yn cael eu niweidio'n haws na laserau tonfedd hirach.
2: Pŵer ac Ynni (unedau nodweddiadol: W neu J)
Mae pŵer laser yn cael ei fesur mewn watiau (W) ac fe'i defnyddir i nodweddu allbwn pŵer optegol laser ton barhaus (CW) neu bŵer cyfartalog laser pwls. Mae laserau pwls hefyd yn cael eu nodweddu gan eu hegni pwls, sy'n gymesur â'r pŵer cyfartalog ac mewn cyfrannedd gwrthdro â chyfradd ailadrodd y laser (Ffigur 2). Mae egni'n cael ei fesur mewn joules (J).
Ffigur 2: Cynrychiolaeth weledol o'r berthynas rhwng egni pwls, cyfradd ailadrodd a phŵer cyfartalog laser pwls
Mae laserau pŵer ac ynni uwch fel arfer yn ddrytach ac maent yn cynhyrchu mwy o wres gwastraff. Mae cynnal ansawdd trawst uchel hefyd yn dod yn anoddach gyda phŵer ac egni cynyddol.
3: Hyd curiad y galon (unedau nodweddiadol: fs i ms)
Fel arfer diffinnir hyd pwls laser neu led curiad y galon fel lled llawn ar hanner uchaf (FWHM) pŵer golau laser yn erbyn amser (Ffigur 3). Mae laserau gwibgyswllt yn cynnig llawer o fanteision mewn ystod o gymwysiadau gan gynnwys prosesu deunyddiau manwl gywir a laserau meddygol, ac fe'u nodweddir gan gyfnodau pwls byr o tua picoseconds (10-12 eiliad) i attoseconds (10-18 eiliad).
Ffigur 3: Curiadau laser pwls wedi'u gwahanu mewn amser gan y gyfradd ailadrodd cilyddol
4: Cyfradd ailadrodd (unedau nodweddiadol: Hz i MHz)
Mae cyfradd ailadrodd neu amlder ailadrodd curiad curiad y galon laser yn disgrifio nifer y corbys sy'n cael eu hallyrru yr eiliad neu'r cyfwng pwls amser gwrthdro (Ffigur 3). Fel y soniwyd yn gynharach, mae'r gyfradd ailadrodd mewn cyfrannedd gwrthdro â'r egni pwls ac yn uniongyrchol gymesur â'r pŵer cyfartalog. Er bod y gyfradd ailadrodd fel arfer yn dibynnu ar y cyfrwng ennill laser, gall amrywio mewn llawer o achosion. Mae cyfraddau ailadrodd uwch yn arwain at amseroedd ymlacio thermol byrrach ar wyneb yr opteg laser ac ar y pwynt ffocws terfynol, sy'n arwain at wresogi deunydd yn gyflymach.
5: Hyd cydlyniad (unedau nodweddiadol: milimetrau i fetrau)
Mae laserau yn gydlynol, sy'n golygu bod perthynas sefydlog rhwng gwerthoedd cyfnod y maes trydan ar wahanol adegau neu leoliadau. Mae hyn oherwydd yn wahanol i'r rhan fwyaf o fathau eraill o ffynonellau golau, mae laserau'n cael eu cynhyrchu gan allyriadau cynhyrfus. Mae cydlyniad yn diraddio trwy gydol y broses lluosogi, ac mae hyd cydlyniant laser yn diffinio pellter y mae cydlyniad amserol y laser yn cael ei gynnal ar ansawdd penodol.
6: Pegynu
Mae polareiddio yn diffinio cyfeiriad maes trydan ton ysgafn, sydd bob amser yn berpendicwlar i gyfeiriad lluosogi. Yn y rhan fwyaf o achosion, bydd y laser yn cael ei bolaru'n llinol, sy'n golygu bod y maes trydan a allyrrir bob amser yn pwyntio i'r un cyfeiriad. Bydd gan olau heb ei bolar faes trydan sy'n pwyntio i lawer o wahanol gyfeiriadau. Mynegir graddau'r polareiddio fel arfer fel cymhareb hyd ffocal golau mewn dau gyflwr pegynol orthogonol, ee 100:1 neu 500:1.
Paramedrau trawst
Mae'r paramedrau canlynol yn nodweddu siâp ac ansawdd pelydr laser.
7: Diamedr trawst (unedau nodweddiadol: mm i cm)
Mae diamedr trawst laser yn nodweddu estyniad ochrol y trawst, neu ei ddimensiwn corfforol yn berpendicwlar i gyfeiriad lluosogi. Fe'i diffinnir fel arfer fel lled 1/e2, a gyrhaeddir gan ddwysedd y trawst yn 1/e2 (≈ 13.5%). Ar y pwynt 1/e2, mae cryfder y maes trydan yn gostwng i 1/e (≈ 37%). Po fwyaf yw diamedr y trawst, y mwyaf y mae angen i'r opteg a'r system gyfan fod er mwyn osgoi cwtogi'r trawst, sy'n cynyddu'r gost. Fodd bynnag, mae gostyngiad mewn diamedr trawst yn cynyddu'r dwysedd pŵer / ynni, a all hefyd fod yn niweidiol.
8: Pŵer neu Dwysedd Ynni (unedau nodweddiadol: W/cm2 i MW/cm2 neu µJ/cm2 i J/cm2)
Mae diamedr trawst yn ymwneud â dwysedd pŵer / ynni'r pelydr laser neu'r pŵer optegol / ynni fesul ardal uned. Po fwyaf yw diamedr y trawst, yr isaf yw dwysedd pŵer / egni trawst gyda phŵer neu egni cyson. Ar allbwn terfynol y system (ee, mewn torri laser neu weldio), mae dwysedd pŵer / ynni uchel yn aml yn ddymunol, ond o fewn y system, mae crynodiad pŵer / ynni isel yn aml yn fuddiol i atal difrod a achosir gan laser. Mae hyn hefyd yn atal ïoneiddiad yr aer yn rhanbarth pŵer uchel / dwysedd ynni'r trawst. Am y rhesymau hyn, ymhlith eraill, defnyddir ehangwyr pelydr laser yn aml i gynyddu'r diamedr a thrwy hynny leihau'r dwysedd pŵer / ynni y tu mewn i'r system laser. Fodd bynnag, rhaid bod yn ofalus i beidio ag ehangu'r trawst cymaint nes bod y trawst yn cael ei guddio o'r agorfeydd yn y system, gan arwain at wastraff ynni a difrod posibl.
9: Proffil Beam
Mae proffil trawst laser yn disgrifio'r dwyster dosbarthedig yn y trawstoriad trawst. Mae proffiliau trawst cyffredin yn cynnwys trawstiau Gaussiaidd a phen gwastad, y mae eu proffiliau trawst yn dilyn y swyddogaethau Gaussian a phen gwastad, yn y drefn honno (Ffigur 4). Fodd bynnag, ni all unrhyw laser gynhyrchu trawst top cwbl Gaussian neu gwbl fflat gyda phroffil trawst sy'n cyfateb yn union i'w swyddogaeth eigen, oherwydd mae yna bob amser nifer benodol o fannau poeth neu amrywiadau y tu mewn i'r laser. Mae'r gwahaniaeth rhwng proffil trawst gwirioneddol laser a'r proffil trawst delfrydol fel arfer yn cael ei ddisgrifio gan fetrig sy'n cynnwys ffactor M2 y laser.
Ffigur 4: Mae cymhariaeth o broffil trawst trawst Gaussian gyda'r un pŵer neu ddwysedd cyfartalog a thrawst pen gwastad yn dangos bod dwyster brig y trawst Gaussian ddwywaith yn fwy na'r trawst pen gwastad.
10: Dargyfeirio (unedau nodweddiadol: mrad)
Er bod trawstiau laser fel arfer yn cael eu hystyried yn wrthdrawiadol, maent bob amser yn cynnwys rhywfaint o wahaniaeth, sy'n disgrifio i ba raddau y mae'r trawst yn dargyfeirio ar bellteroedd cynyddol o ganol trawst y laser oherwydd diffreithiant. Mewn cymwysiadau â phellteroedd gweithredu hir, megis systemau LIDAR lle gall gwrthrychau fod gannoedd o fetrau i ffwrdd o'r system laser, mae dargyfeirio yn dod yn fater arbennig o bwysig. Fel arfer diffinnir dargyfeiriad trawst gan hanner ongl y laser, a diffinnir dargyfeiriad (θ) trawst Gaussian fel:
Llun.
λ yw tonfedd y laser a w0 yw gwasg trawst y laser.
Paramedrau system derfynol
Mae'r paramedrau terfynol hyn yn disgrifio perfformiad y system laser ar allbwn.
11: Maint sbot (uned nodweddiadol: µm)
Mae maint sbot pelydr laser â ffocws yn disgrifio diamedr y trawst yng nghanol y system lens ffocws. Mewn llawer o gymwysiadau, megis prosesu deunyddiau a llawfeddygaeth feddygol, y nod yw lleihau maint y fan a'r lle. Mae hyn yn cynyddu dwysedd pŵer i'r eithaf ac yn caniatáu creu nodweddion eithriadol o gain. Defnyddir lensys asfferig yn aml yn lle lensys sfferig traddodiadol i leihau aberiad sfferig a chynhyrchu meintiau man ffocal llai. Nid yw rhai mathau o systemau laser yn y pen draw yn canolbwyntio'r laser i'r fan a'r lle, ac os felly nid yw'r paramedr hwn yn berthnasol.
12: Pellter Gweithio (unedau nodweddiadol: µm i m)
Fel arfer diffinnir pellter gweithio system laser fel y pellter ffisegol o'r elfen optegol derfynol (fel arfer y lens ffocws) i'r gwrthrych neu'r arwyneb y mae'r laser yn canolbwyntio arno. Mae rhai cymwysiadau, fel laserau meddygol, fel arfer yn ceisio lleihau'r pellter gweithio, tra bod cymwysiadau eraill, fel synhwyro o bell, fel arfer yn anelu at wneud y mwyaf o'u hystod pellter gweithio.
