در کاربردهای مختلف مانند پردازش مواد، جراحی لیزری، سنجش از دور و به ویژهعلامت گذاری لیزری، انواع مختلفی از سیستم های لیزر رایج وجود دارد. بسیاری از این سیستم های لیزری پارامترهای کلیدی را به اشتراک می گذارند. ایجاد اصطلاحات جهانی برای این پارامترها می تواند از ارائه نادرست جلوگیری کند و با درک این اصطلاحات، می توانید به درستی سیستم ها و اجزای لیزر را برای رفع نیازهای برنامه خود تعیین کنید.
شکل 1: نمودار شماتیک یک سیستم پردازش مواد لیزری رایج، که در آن 10 پارامتر کلیدی سیستم لیزر با اعداد مربوطه نشان داده شده است.
NO.1 طول موج: طول موج لیزر یک پارامتر اساسی است که فرکانس فضایی موج نور ساطع شده را توصیف می کند. لیزرهای با طول موج های مختلف در کاربردهای مختلف نقش دارند. در پردازش مواد، مواد مختلف ویژگی های جذب متفاوتی برای طول موج های مختلف دارند، بنابراین برهمکنش با مواد نیز متفاوت است. لیزرهای با طول موج کوتاهتر و اپتیک های لیزری در ایجاد ویژگی های کوچک و دقیق، با گرمایش محیطی کمتر، مزایایی دارند. با این حال، این دستگاهها معمولاً در مقایسه با لیزرهای با طول موجهای بلندتر، گرانتر و شکنندهتر هستند.
NO.2 قدرت: توان لیزر معمولاً بر حسب وات (W) اندازه گیری می شود که برای توصیف توان خروجی نوری لیزرهای موج پیوسته (CW) یا توان متوسط لیزرهای پالسی استفاده می شود. ویژگی لیزرهای پالسی این است که انرژی پالس آنها نسبت مستقیم با توان متوسط و نسبت معکوس با سرعت تکرار دارد. واحد انرژی ژول (J) است. بنابراین، انرژی پالس را می توان با تقسیم توان متوسط بر نرخ تکرار محاسبه کرد.
شکل 2: یک نمایش بصری از رابطه بین انرژی پالس، نرخ تکرار و توان متوسط لیزرهای پالسی با توان و انرژی بالاتر لیزرها عموماً گرانتر هستند و گرمای اتلاف بیشتری تولید میکنند. با افزایش قدرت و انرژی، حفظ کیفیت پرتو بالا دشوارتر می شود.
NO.3 مدت زمان پالس:مدت زمان پالس یا عرض پالس لیزر معمولاً به عنوان زمانی تعریف می شود که لیزر به نصف (FWHM) حداکثر توان نوری خود برسد. لیزرهای فوق سریع با مدت زمان پالس کوتاه مشخص می شوند که از پیکوثانیه ({0}} ثانیه) تا آتوثانیه (10-18 ثانیه) متغیر است.
شکل 3: فاصله پالس لیزر پالسی متقابل نرخ تکرار است.
NO.4 میزان تکرار:نرخ تکرار لیزر پالسی تعداد پالس های ساطع شده در ثانیه را توصیف می کند که متقابل فاصله زمانی بین پالس ها است. برخلاف آنچه قبلا ذکر شد، نرخ تکرار با انرژی پالس نسبت معکوس و با توان متوسط رابطه مستقیم دارد. نرخ تکرار بیشتر به این معنی است که زمان آرامش حرارتی سطح عنصر نوری لیزر و نقطه متمرکز نهایی کوتاهتر است، بنابراین سرعت گرمایش ماده سریعتر است.
NO.5 طول انسجام:لیزرها انسجام دارند، به این معنی که یک رابطه ثابت بین مقادیر فاز میدان الکتریکی در زمانها یا موقعیتهای مختلف وجود دارد. این ویژگی از این واقعیت ناشی می شود که لیزرها با انتشار تحریک شده تولید می شوند که با بسیاری از انواع دیگر منابع نور متفاوت است. اگرچه انسجام لیزر در طول انتشار به تدریج ضعیف می شود، طول انسجام لیزر فاصله ای را که در آن انسجام زمانی آن در سطح معینی باقی می ماند، مشخص می کند.
NO.6 قطبش:قطبش جهت میدان الکتریکی موج نور را مشخص می کند که همیشه بر جهت انتشار عمود است. در بیشتر موارد، لیزر به صورت خطی قطبی شده است، یعنی میدان الکتریکی ساطع شده همیشه در یک جهت قرار دارد. در مقابل، نور غیرقطبی میدانهای الکتریکی تولید میکند که در جهات مختلف قرار دارند. پلاریزاسیون معمولاً به صورت نسبت توان نور بین دو حالت قطبش متعامد مانند 100:1 یا 500:1 بیان می شود.
NO.7 قطر پرتو: قطر پرتو لیزر امتداد جانبی پرتو، یعنی اندازه فیزیکی عمود بر جهت انتشار را توصیف می کند. معمولاً قطر پرتو در عرض 1/e² تعریف می شود، یعنی نقطه ای که شدت پرتو به 1/e² (حدود 13.5٪) از حداکثر مقدار می رسد. در این مرحله، شدت میدان الکتریکی به 1/e (حدود 37٪) از مقدار حداکثر کاهش می یابد. هرچه قطر پرتو بزرگتر باشد، اجزای نوری بزرگتر و کل سیستم مورد نیاز برای جلوگیری از قطع شدن پرتو و در نتیجه افزایش هزینه ها است. با این حال، کاهش قطر پرتو باعث افزایش چگالی توان/انرژی میشود که اثرات نامطلوبی نیز به همراه خواهد داشت.
NO.8 توان یا چگالی انرژی: توان یا چگالی انرژی به توان یا انرژی پرتو در واحد سطح اشاره دارد. قطر پرتو ارتباط نزدیکی با چگالی توان/انرژی دارد. هنگامی که توان یا انرژی پرتو ثابت می ماند، هرچه قطر پرتو بزرگتر باشد، چگالی توان/انرژی کمتر می شود. به طور کلی، لیزرهای با چگالی توان/انرژی بالا خروجی نهایی ایده آل سیستم هستند، مانند کاربردهای برش لیزری یا جوشکاری لیزری. با این حال، لیزرهای با چگالی توان/انرژی کم از نظر داخلی برای سیستم مفید هستند، میتوانند آسیبهای ناشی از لیزر را کاهش دهند و از یونیزه شدن هوا توسط ناحیه پرتوان/تراکم انرژی بالا پرتو جلوگیری کنند.
پروفیل تیر NO.9: پروفیل تیر، شدت توزیع تیر را در سطح مقطع توصیف می کند. پروفیل های تیر معمولی شامل تیرهای گاوسی و تیرهای سقفی تخت هستند و پروفیل های تیر آنها به ترتیب از توابع گاوسی و سطح صاف پیروی می کنند. با این حال، از آنجایی که همیشه تعداد معینی از نقاط داغ یا نوسانات در داخل لیزر وجود دارد، هیچ لیزری نمی تواند یک پرتو گاوسی کامل یا یک پرتو تخت کامل ایجاد کند که کاملاً با مشخصات پرتو ایده آل مطابقت داشته باشد. تفاوت بین پروفیل پرتو واقعی لیزر و پروفیل پرتو ایدهآل معمولاً با شاخصهای اندازهگیری متعدد (از جمله ضریب M² لیزر) توصیف میشود.
NO.10 واگرایی:اگرچه مردم معمولاً فکر می کنند که پرتو لیزر نور همسو است، در واقع پرتو لیزر همیشه درجه خاصی از واگرایی خواهد داشت. واگرایی درجه انتشار پرتو را نسبت به کمر پرتو پس از انتشار در فواصل طولانی به دلیل پراش توصیف می کند. در کاربردهایی با فواصل کاری طولانی، مانند سیستم های رادار لیزری، که در آن هدف و سیستم لیزر ممکن است صدها متر از هم فاصله داشته باشند، واگرایی به یک موضوع مهم تبدیل می شود. واگرایی پرتو معمولاً با نیمزاویه لیزر و زاویه واگرایی (θ) پرتو گاوسی به صورت λ طول موج لیزر و w0 کمر پرتو لیزر است.
NO.11 اندازه نقطه: اندازه نقطه، قطر نقطه پرتو لیزر متمرکز را که در کانون سیستم عدسی فوکوس قرار دارد، توصیف میکند. در بسیاری از کاربردها، مانند پردازش مواد و جراحی پزشکی، هدف ما به حداقل رساندن اندازه لکه است. این می تواند چگالی توان را به حداکثر برساند و ویژگی های بسیار خوبی ایجاد کند. لنزهای غیر کروی اغلب برای جایگزینی لنزهای کروی سنتی برای کاهش انحرافات کروی و کاهش اندازه لکه استفاده می شوند. در برخی از انواع سیستم های لیزری، لیزر نهایتاً لیزر را در نقطه ای متمرکز نمی کند، بنابراین در این حالت، این پارامتر اعمال نمی شود.
شکل 5: آزمایشهای ریزماشین کاری لیزری در مؤسسه فناوری ایتالیا نشان میدهد که راندمان فرسایش یک سیستم حفاری لیزری نانوثانیه ده برابر افزایش مییابد که اندازه نقطه از 220 میکرون به 9 میکرون در شار ثابت کاهش یابد.
