קיים מגוון רחב של מערכות לייזר נפוצות בשימוש במגוון יישומים כגון עיבוד חומרים, ניתוחי לייזר וחישה מרחוק, אך למערכות לייזר רבות יש פרמטרים מרכזיים משותפים. קביעת טרמינולוגיה משותפת לפרמטרים אלו מונעת שגיאות תקשורת, והבנתן מאפשרת לציין נכון את מערכת הלייזר והרכיבים כדי לעמוד בדרישות היישום.
איור 1: תרשים סכמטי של מערכת נפוצה לעיבוד חומרי לייזר, כאשר כל אחד מ-10 הפרמטרים המרכזיים של מערכת הלייזר מיוצג על ידי מספר תואם
פרמטרים בסיסיים
הפרמטרים הבסיסיים הבאים הם המושגים הבסיסיים ביותר של מערכות לייזר, והם קריטיים גם להבנת נקודות מתקדמות יותר
1: אורך גל (יחידות טיפוסיות: ננומטר עד אום)
אורך הגל של לייזר מתאר את התדר המרחבי של גל האור הנפלט. אורך הגל האופטימלי עבור מקרה שימוש נתון תלוי מאוד ביישום. לחומרים שונים יהיו תכונות ספיגה ייחודיות תלויות אורך גל בעיבוד החומר, וכתוצאה מכך אינטראקציות שונות עם החומר. באופן דומה, ספיגה והפרעות אטמוספריות ישפיעו באופן שונה על אורכי גל מסוימים בחישה מרחוק, ומתחמים שונים יספגו אורכי גל מסוימים באופן שונה ביישומי לייזר רפואי. לייזרים באורך גל קצר יותר ואופטיקה לייזר מועילים ליצירת תכונות קטנות ומדויקות עם חימום היקפי מינימלי מכיוון שנקודת המוקד קטנה יותר. עם זאת, הם בדרך כלל יקרים יותר ורגישים יותר לנזק מאשר לייזרים באורך גל ארוך יותר.
2: כוח ואנרגיה (יחידות טיפוסיות: W או J)
הספק של לייזר נמדד בוואט (W) ומשמש לתיאור תפוקת ההספק האופטי של לייזר גל מתמשך (CW) או את ההספק הממוצע של לייזר דופק. לייזרים פולסים מאופיינים גם באנרגיית הדופק שלהם, שהיא פרופורציונלית להספק הממוצע ובפרופורציה הפוך לקצב החזרות של הלייזר (איור 2). אנרגיה נמדדת בג'ול (J).
איור 2: ייצוג חזותי של הקשר בין אנרגיית הדופק, קצב החזרות והעוצמה הממוצעת של לייזר דופק
לייזרים בעלי הספק ואנרגיה גבוהים יותר הם בדרך כלל יקרים יותר, והם מייצרים יותר פסולת חום. שמירה על איכות אלומה גבוהה הופכת גם יותר ויותר קשה ככל שהכוח והאנרגיה גדלים.
3: משך דופק (יחידות טיפוסיות: fs עד ms)
משך דופק הלייזר או רוחב הדופק מוגדרים בדרך כלל כרוחב המלא בחצי המקסימום (FWHM) של ההספק האופטי של הלייזר לעומת זמן (איור 3). לייזרים מהירים במיוחד מציעים יתרונות רבים במגוון יישומים כולל עיבוד חומרים מדויקים ולייזרים רפואיים. הם מאופיינים במשכי דופק קצרים בסדר גודל של פיקו-שניות (10-12 שניות) עד אטו-שניות (10-18 ופחות
P(W)
1/שיעור חזרות
רכישת זמני חשבון ציבורי
איור 3: הפולסים של לייזר דופק מופרדים בזמן על ידי היפוך של קצב החזרות
4: קצב חזרות (יחידות טיפוסיות: הרץ עד מגה-הרץ)
קצב החזרות או תדירות החזרה על הדופק של לייזר דופק מתאר את מספר הפולסים הנפלטים בשנייה או את מרווח פעימות הזמן ההפוך (איור 3). כפי שהוזכר קודם לכן, קצב החזרות עומד ביחס הפוך לאנרגיית הדופק וביחס ישר להספק הממוצע. בעוד שקצב החזרות תלוי בדרך כלל במדיום הרווח בלייזר, הוא יכול להשתנות במקרים רבים. שיעורי חזרות גבוהים יותר מביאים לזמני הרפיה תרמית קצרים יותר על פני השטח של אופטיקה הלייזר ובמיקוד הסופי, מה שמביא לחימום חומר מהיר יותר.
5: אורך קוהרנטיות (יחידות טיפוסיות: מילימטר למטר)
הלייזר הוא קוהרנטי, כלומר זרמים חשמליים בזמנים או במקומות שונים הם קוהרנטיים. קיים קשר קבוע בין ערכי פאזת השדה. הסיבה לכך היא שלייזרים, בניגוד לרוב סוגי מקורות האור האחרים, מיוצרים על ידי פליטה מעוררת. אורך הקוהרנטיות מגדיר מרחק שבו הקוהרנטיות הזמנית של אור הלייזר נשארת קבועה לאורך כל התפשטות אור הלייזר, ללא השפלה במהלך התהליך.
6: קיטוב
הקיטוב מגדיר את כיוון השדה החשמלי של גל האור, "הוא תמיד בניצב לכיוון ההתפשטות. ברוב המקרים, אור הלייזר יהיה מקוטב ליניארי, כלומר השדה החשמלי הנפלט תמיד מצביע לאותו כיוון. אור לא מקוטב. יהיה בעל שדה חשמלי המצביע לכיוונים רבים ושונים. מידת הקיטוב מתבטאת בדרך כלל כיחס הכוח האופטי של שני מצבי קיטוב אורתוגונליים, כגון 100:1 או 500:1.
פרמטרים של קרן
הפרמטרים הבאים מאפיינים את הצורה והאיכות של קרן הלייזר.
7: קוטר קרן (יחידות אופייניות: מ"מ עד ס"מ)
קוטר הקרן של לייזר מאפיין את ההרחבה הצידית של הקרן, או את גודלה הפיזי בניצב לכיוון ההתפשטות. בדרך כלל הוא מוגדר כרוחב 1/e2, שהוא רוחב עוצמת האלומה עד 1/e2 (=13.5%). בנקודת 1/e2, עוצמת השדה החשמלי יורדת ל-1/e (=37%). ככל שקוטר האלומה גדול יותר, כך האופטיקה והמערכת כולה צריכים להיות גדולים יותר כדי למנוע קיצוץ אלומה, מה שמגדיל את העלות. עם זאת, הפחתה בקוטר האלומה מגדילה את צפיפות ההספק/אנרגיה, מה שעלול גם להזיק.
8: כוח או צפיפות אנרגיה (יחידות טיפוסיות: W/cm2 עד MWicm2 או uJ/cm2 עד J/cm2)
קוטר הקרן קשור לצפיפות ההספק/אנרגיה של קרן הלייזר. צפיפות אנרגיה, או כמות הכוח/אנרגיה האופטית ליחידת שטח. ככל שקוטר האלומה גדול יותר, כך צפיפות ההספק/אנרגיה של האלומה נמוכה יותר עבור הספק או אנרגיה קבועים. צפיפות הספק/אנרגיה גבוהה רצויה לרוב בתפוקה הסופית של המערכת (למשל בחיתוך לייזר או ריתוך), אך ריכוזי הספק/אנרגיה נמוכים לרוב מועילים בתוך המערכת כדי למנוע נזק שנגרם כתוצאה מלייזר. זה גם מונע מאזורי הכוח/צפיפות האנרגיה הגבוהים של האלומה ליינן את האוויר. מסיבות אלו, בין היתר, משתמשים לרוב במרחיבי קרן לייזר להגדלת הקוטר ובכך להפחית את צפיפות ההספק/אנרגיה בתוך מערכת הלייזר. עם זאת, יש להקפיד לא להרחיב את האלומה יתר על המידה כך שהיא תיחסם מפני פתחים במערכת, וכתוצאה מכך לבזבוז אנרגיה ולנזק אפשרי.
9: פרופיל קרן
פרופיל הקרן של לייזר מתאר את העוצמה המפוזרת על פני החתך של הקרן. פרופילי אלומה נפוצים כוללים קורות גאוסיות וקורות שטוחות, שפרופילי הקורות שלהן עוקבים אחר הפונקציה גאוסית ופונקציית הגג השטוח, בהתאמה (איור 4). עם זאת, אף לייזר לא יכול לייצר קרן גאוסית לחלוטין או שטוחה לחלוטין עם פרופיל קרן התואם בדיוק את התפקוד האופייני לו, מכיוון שתמיד יש כמות מסוימת של נקודות חמות או תנודות בתוך הלייזר. ההבדל בין פרופיל הקרן בפועל של לייזר לפרופיל הקרן האידיאלי מתואר לעתים קרובות על ידי מדדים הכוללים את גורם ה-M2 של הלייזר
פרופילי קרן עליונים גאוסים ושטוחים
איור 4: השוואה בין פרופילי האלומה של אלומה גאוסית וקרן עליונה שטוחה בעלות עוצמה או עוצמה ממוצעת שווה מראה שעוצמת השיא של האלומה גאוסית היא פי שניים מזו של האלומה העליונה השטוחה
10: סטייה (יחידות אופייניות: mrad)
בעוד שקרני לייזר נחשבות לעתים קרובות לקולימיות, הן תמיד מכילות כמות מסוימת של סטייה, המתארת את המידה שבה הקרן מתפצלת במרחקים הולכים וגדלים ממותני קרן הלייזר עקב עקיפה. ביישומי מרחק עבודה ארוכים, כגון מערכות LiDAR, שבהן חפצים עשויים להיות במרחק מאות מטרים ממערכת הלייזר, סטייה הופכת לנושא חשוב במיוחד. סטיית קרן מוגדרת לעתים קרובות על ידי חצי הזווית של הלייזר, והדיברגנציה של קרן גאוסית (0) מוגדרת כ:
W הוא אורך הגל של הלייזר ו-w0 הוא מותני הקרן של הלייזר
פרמטרים סופיים של המערכת
פרמטרים אחרונים אלה מתארים את הביצועים של מערכת הלייזר במוצא
11: גודל נקודה (יחידות טיפוסיות: אממ)
גודל הנקודה של קרן לייזר ממוקדת מתאר את קוטר הקרן במוקד מערכת עדשות המיקוד. ביישומים רבים כגון עיבוד חומרים וניתוחים רפואיים, המטרה היא למזער את גודל הנקודה. זה ממקסם את צפיפות ההספק ומאפשר יצירת תכונות משובחות במיוחד (איור 5). לעתים קרובות נעשה שימוש בעדשות אספריות במקום עדשות כדוריות מסורתיות כדי להפחית סטיות כדוריות ולהפיק גדלי נקודות מוקד קטנים יותר. סוגים מסוימים של מערכות לייזר אינן ממקדות בסופו של דבר את הלייזר לנקודה, ובמקרה זה פרמטר זה אינו חל.
איור 5: ניסויי מיקרו-עיבוד בלייזר במכון הטכנולוגי האיטלקי מראים עלייה של 10-פיפול ביעילות אבלציה במערכת קידוח לייזר ננו-שניות כאשר גודל הנקודה מופחת מ-220um ל-9um בקצב זרימה קבוע
12: מרחק עבודה (יחידות טיפוסיות: אום עד מ')
מרחק העבודה של מערכת לייזר מוגדר בדרך כלל כמרחק הפיזי מהאלמנט האופטי הסופי (בדרך כלל עדשת מיקוד) לאובייקט או למשטח עליו מתמקד הלייזר. יישומים מסוימים, כגון לייזרים רפואיים, מבקשים בדרך כלל למזער את מרחק העבודה, בעוד שאחרים, כגון חישה מרחוק, שואפים בדרך כלל למקסם את טווח מרחק העבודה שלהם.
