Defnyddir ystod eang o systemau laser cyffredin mewn amrywiaeth o gymwysiadau megis prosesu deunydd, llawdriniaeth laser, a synhwyro o bell, ond mae gan lawer o systemau laser baramedrau allweddol cyffredin. Mae sefydlu terminoleg gyffredin ar gyfer y paramedrau hyn yn atal gwallau cyfathrebu, ac mae eu deall yn caniatáu i'r system laser a'r cydrannau gael eu pennu'n gywir i fodloni gofynion y cais.
Ffigur 1: Diagram sgematig o system brosesu deunydd laser gyffredin, lle mae pob un o 10 paramedr allweddol y system laser yn cael ei gynrychioli gan rif cyfatebol
Paramedrau Sylfaenol
Y paramedrau sylfaenol canlynol yw'r cysyniadau mwyaf sylfaenol o systemau laser, ac maent hefyd yn hanfodol i ddeall pwyntiau mwy datblygedig
1: Tonfedd (unedau nodweddiadol: nm i um)
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 gais. Bydd gan wahanol ddeunyddiau briodweddau amsugno unigryw sy'n ddibynnol ar donfedd mewn prosesu 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 fuddiol ar gyfer creu nodweddion bach a manwl gywir heb fawr o wres ymylol oherwydd bod y man ffocal yn llai. Fodd bynnag, yn gyffredinol maent yn ddrutach ac yn fwy agored i niwed 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 ddisgrifio 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 yn cael ei fesur mewn Joules (J).
Ffigur 2: Cynrychiolaeth weledol o'r berthynas rhwng egni pwls, cyfradd ailadrodd, a phŵer cyfartalog laser pwls
Yn gyffredinol, mae laserau pŵer ac ynni uwch yn ddrutach, ac maent yn cynhyrchu mwy o wres gwastraff. Mae cynnal ansawdd trawst uchel hefyd yn dod yn fwyfwy anodd wrth i bŵer ac ynni gynyddu.
3: Hyd curiad y galon (Unedau Nodweddiadol: fs i ms)
Fel arfer diffinnir hyd pwls laser neu led curiad y galon fel y lled llawn ar hanner uchafswm (FWHM) pŵer optegol laser yn erbyn amser (Ffigur 3). Mae laserau tra chyflym yn cynnig llawer o fanteision mewn ystod o gymwysiadau gan gynnwys prosesu deunyddiau manwl gywir a laserau meddygol. Fe'u nodweddir gan gyfnodau curiad byr o drefn picoseconds (10-12 eiliad) i attoeiliadau (10-18 a llai
P(W)
1/Cyfradd Ailadrodd
Prynu Amser(au) Cyfrif Cyhoeddus
Ffigur 3: Mae corbys laser pwls yn cael eu gwahanu mewn amser gan wrthdro'r gyfradd ailadrodd
4: Cyfradd ailadrodd (unedau nodweddiadol: Hz i MHz)
Mae cyfradd ailadrodd neu amlder ailadrodd curiad y galon laser pwls 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 yn gyffredinol 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 yn y ffocws terfynol, sy'n arwain at wresogi deunydd yn gyflymach.
5: Hyd Cydlyniad (Unedau Nodweddiadol: Milimetrau i Fesuryddion)
Mae'r laser yn gydlynol, sy'n golygu bod cerrynt trydanol ar wahanol adegau neu leoliadau yn gydlynol. Mae perthynas sefydlog rhwng y gwerthoedd cyfnod maes. Mae hyn oherwydd bod laserau, yn wahanol i'r rhan fwyaf o fathau eraill o ffynonellau golau, yn cael eu cynhyrchu gan allyriadau ysgogol. Mae'r hyd cydlyniad yn diffinio pellter y mae cydlyniad amser y golau laser yn aros yn gyson trwy gydol lledaeniad y golau laser, heb ddiraddio yn ystod y broses.
6: Pegynu
Mae polareiddio yn diffinio cyfeiriad maes trydan y don golau, "mae bob amser yn berpendicwlar i gyfeiriad lluosogi. Yn y rhan fwyaf o achosion, bydd golau laser yn cael ei polareiddio'n llinol, sy'n golygu bod y maes trydan a allyrrir bob amser yn pwyntio i'r un cyfeiriad. Golau heb ei begynu Bydd ganddo faes trydan yn pwyntio i lawer o wahanol gyfeiriadau.
Paramedrau trawst
Mae'r paramedrau canlynol yn nodweddu siâp ac ansawdd y pelydr laser.
7: Diamedr Beam (Unedau Nodweddiadol: mm i cm)
Mae diamedr trawst laser yn nodweddu estyniad ochrol y trawst, neu ei faint corfforol yn berpendicwlar i gyfeiriad lluosogi. Fel arfer caiff ei ddiffinio fel lled 1/e2, sef lled dwyster y trawst hyd at 1/e2 (=13.5%). Ar y pwynt 1/e2, mae dwyster 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 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 MWicm2 neu uJ/cm2 i J/cm2)
Mae diamedr trawst yn gysylltiedig â dwysedd pŵer / ynni'r pelydr laser. Dwysedd ynni, neu faint o bŵer optegol/ynni fesul ardal uned. Po fwyaf yw diamedr y trawst, yr isaf yw dwysedd pŵer / ynni'r trawst ar gyfer pŵer neu egni cyson. Mae dwysedd pŵer/ynni uchel yn aml yn ddymunol yn allbwn terfynol y system (er enghraifft mewn torri laser neu weldio), ond mae crynodiadau pŵer/ynni isel yn aml yn fuddiol y tu mewn i'r system i atal difrod a achosir gan laser. Mae hyn hefyd yn atal ardaloedd pŵer / dwysedd ynni uchel y trawst rhag ïoneiddio'r aer. 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 yn ormodol fel ei fod yn cael ei rwystro rhag agorfeydd yn y system, gan arwain at wastraffu ynni a difrod posibl.
9: Proffil Beam
Mae proffil trawst laser yn disgrifio'r dwyster dosbarthedig dros drawstoriad y trawst. Mae proffiliau trawst cyffredin yn cynnwys trawstiau Gaussian a thrawstiau pen gwastad, y mae eu proffiliau trawst yn dilyn y swyddogaeth Gaussaidd a'r swyddogaeth pen gwastad, yn y drefn honno (Ffigur 4). Fodd bynnag, ni all unrhyw laser gynhyrchu trawst cwbl Gaussian neu gwbl fflat gyda phroffil trawst sy'n cyd-fynd yn union â'i swyddogaeth nodweddiadol, oherwydd mae yna bob amser rywfaint o fannau poeth neu amrywiadau y tu mewn i'r laser. Mae'r gwahaniaeth rhwng proffil trawst gwirioneddol laser a'r proffil trawst delfrydol yn aml yn cael ei ddisgrifio gan fetrigau gan gynnwys ffactor M2 y laser
Proffiliau Top Beam Gaussian a gwastad
Ffigur 4: Mae cymhariaeth o broffiliau trawst trawst Gaussian a thrawst top gwastad o bŵer neu ddwysedd cyfartalog cyfartal yn dangos bod dwyster brig y trawst Gaussian ddwywaith yn fwy na'r trawst top gwastad
10: Dargyfeirio (unedau nodweddiadol: mrad)
Er bod trawstiau laser yn aml 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 pellter gweithio 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. Mae dargyfeiriad trawst yn aml yn cael ei ddiffinio gan hanner ongl y laser, a diffinnir dargyfeiriad trawst Gaussian (0) fel:
W 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 yn yr allbwn
11: Maint sbot (unedau nodweddiadol: um)
Mae maint sbot pelydr laser â ffocws yn disgrifio diamedr y trawst sydd wrth wraidd y system lens ffocws. Mewn llawer o gymwysiadau megis prosesu deunydd 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 arbennig o gain (Ffigur 5). Defnyddir lensys asfferig yn aml yn lle lensys sfferig traddodiadol i leihau aberrations sfferig a chynhyrchu meintiau man ffocal llai. Nid yw rhai mathau o systemau laser yn y pen draw yn canolbwyntio'r laser i fan, ac os felly nid yw'r paramedr hwn yn berthnasol.
Ffigur 5: Mae arbrofion microbeiriannu laser yn Sefydliad Technoleg yr Eidal yn dangos cynnydd 10-plyg mewn effeithlonrwydd abladiad mewn system drilio laser nanosecond pan fydd maint y sbot yn cael ei leihau o 220um i 9um ar gyfradd llif cyson
12: Pellter gweithio (unedau nodweddiadol: um i m)
Fel arfer diffinnir pellter gweithio system laser fel y pellter ffisegol o'r elfen optegol derfynol (fel arfer 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 eraill, fel synhwyro o bell, fel arfer yn anelu at wneud y mwyaf o'u hystod pellter gweithio.
