Terdapat pelbagai jenis sistem laser tujuan umum untuk pelbagai aplikasi seperti pemprosesan bahan, pembedahan laser dan penderiaan jauh, tetapi banyak sistem laser berkongsi parameter utama yang sama. Mewujudkan istilah umum untuk parameter ini menghalang salah faham, dan memahaminya membolehkan spesifikasi sistem dan komponen laser yang betul untuk memenuhi keperluan aplikasi.
Parameter Asas
Parameter asas berikut ialah konsep paling asas bagi sistem laser dan penting untuk memahami perkara yang lebih maju.
1: Panjang gelombang (unit biasa: nm hingga µm)
Panjang gelombang laser menerangkan frekuensi ruang bagi gelombang cahaya yang dipancarkan. Panjang gelombang optimum untuk kes penggunaan tertentu adalah sangat bergantung pada aplikasi. Dalam pemprosesan bahan, bahan yang berbeza mempunyai sifat penyerapan bergantung kepada panjang gelombang unik yang menghasilkan interaksi yang berbeza dengan bahan. Begitu juga, dalam penderiaan jauh, penyerapan dan gangguan atmosfera boleh menjejaskan panjang gelombang tertentu secara berbeza, dan dalam aplikasi laser perubatan, pelbagai kompleks boleh menyerap panjang gelombang tertentu secara berbeza. Laser panjang gelombang yang lebih pendek dan optik laser membantu menghasilkan ciri yang kecil dan tepat dengan pemanasan persisian yang minimum kerana titik fokus adalah lebih kecil. Walau bagaimanapun, ia biasanya lebih mahal dan lebih mudah rosak daripada laser panjang gelombang yang lebih panjang.
2: Kuasa dan Tenaga (unit biasa: W atau J)
Kuasa laser diukur dalam watt (W) dan digunakan untuk menerangkan output kuasa optik daripada laser gelombang berterusan (CW) atau kuasa purata laser berdenyut. Laser berdenyut juga dicirikan oleh tenaga nadinya, yang berkadar dengan kuasa purata dan berkadar songsang dengan kadar pengulangan laser (Rajah 2). Tenaga diukur dalam joule (J).
Laser kuasa dan tenaga yang lebih tinggi biasanya lebih mahal dan menghasilkan lebih banyak haba buangan. Mengekalkan kualiti pancaran tinggi juga menjadi lebih sukar dengan peningkatan kuasa dan tenaga.
3: Tempoh Nadi (unit biasa: fs hingga ms)
Tempoh nadi laser atau lebar nadi biasanya ditakrifkan sebagai lebar penuh pada separuh maksimum (FWHM) kuasa cahaya laser berbanding masa (Rajah 3). Laser ultrafast menawarkan banyak kelebihan dalam pelbagai aplikasi termasuk pemprosesan bahan ketepatan dan laser perubatan, dan dicirikan oleh tempoh nadi pendek kira-kira picosaat (10-12 saat) hingga attosaat (10-18 saat).
4: Kadar pengulangan (unit biasa: Hz hingga MHz)
Kadar pengulangan atau kekerapan pengulangan nadi bagi laser berdenyut menerangkan bilangan denyutan yang dipancarkan sesaat atau selang nadi masa terbalik (Rajah 3). Seperti yang dinyatakan sebelum ini, kadar pengulangan adalah berkadar songsang dengan tenaga nadi dan berkadar terus dengan kuasa purata. Walaupun kadar pengulangan biasanya bergantung pada medium keuntungan laser, ia boleh berbeza-beza dalam banyak kes. Kadar pengulangan yang lebih tinggi menghasilkan masa kelonggaran terma yang lebih pendek pada permukaan optik laser dan pada fokus akhir, yang membawa kepada pemanasan bahan yang lebih cepat.
5: Panjang koheren (unit biasa: milimeter hingga meter)
Laser adalah koheren, yang bermaksud bahawa terdapat hubungan tetap antara nilai fasa medan elektrik pada masa atau lokasi yang berbeza. Ini kerana, tidak seperti kebanyakan jenis sumber cahaya lain, laser dihasilkan oleh pelepasan teruja. Koheren berkurangan sepanjang proses penghantaran, dan panjang koheren laser menentukan jarak di mana koheren temporal laser kekal pada kualiti tertentu.
6: Polarisasi
Polarisasi menentukan arah medan elektrik gelombang cahaya, yang sentiasa berserenjang dengan arah perambatan. Dalam kebanyakan kes, laser akan terpolarisasi secara linear, bermakna medan elektrik yang dipancarkan sentiasa menghala ke arah yang sama. Cahaya yang tidak terkutub akan mempunyai medan elektrik yang menghala ke pelbagai arah. Polarisasi biasanya dinyatakan sebagai nisbah jarak fokus cahaya dalam dua keadaan terkutub ortogon, contohnya 100:1 atau 500:1.
Parameter rasuk
Parameter berikut mencirikan bentuk dan kualiti pancaran laser.
7: Diameter rasuk (unit biasa: mm hingga cm)
Diameter rasuk laser mencirikan lanjutan sisi rasuk, atau dimensi fizikal berserenjang dengan arah perambatan. Ia biasanya ditakrifkan sebagai lebar 1/e2, iaitu lebar yang dicapai oleh keamatan rasuk pada 1/e2 (≈13.5%). Pada titik 1/e2, kekuatan medan elektrik menurun kepada 1/e (≈37%). Lebih besar diameter rasuk, lebih besar optik dan keseluruhan sistem perlu untuk mengelakkan pemotongan rasuk, yang meningkatkan kos. Walau bagaimanapun, pengurangan diameter rasuk meningkatkan ketumpatan kuasa/tenaga, yang juga memudaratkan.
8: Kuasa atau Ketumpatan Tenaga (unit biasa: W/cm2 kepada MW/cm2 atau µJ/cm2 kepada J/cm2)
Diameter pancaran berkaitan dengan ketumpatan kuasa/tenaga pancaran laser atau kuasa/tenaga optik per unit luas. Lebih besar diameter rasuk, lebih rendah ketumpatan kuasa/tenaga kuasa malar atau rasuk tenaga malar. Pada keluaran akhir sistem (cth, dalam pemotongan laser atau kimpalan), ketumpatan kuasa/tenaga yang tinggi biasanya diperlukan, tetapi dalam sistem, kepekatan kuasa/tenaga yang rendah biasanya bermanfaat dalam mencegah kerosakan akibat laser. Ini juga menghalang pengionan udara di kawasan ketumpatan kuasa/tenaga tinggi rasuk. Atas sebab ini, antara lain, pengembang pancaran laser sering digunakan untuk meningkatkan diameter dan dengan itu mengurangkan ketumpatan kuasa/tenaga di dalam sistem laser. Walau bagaimanapun, penjagaan mesti diambil untuk tidak memanjangkan rasuk terlalu besar sehingga rasuk dikaburkan dari apertur sistem, mengakibatkan tenaga terbuang dan kemungkinan kerosakan.
9: Profil Rasuk
Profil rasuk laser menerangkan keamatan teragih dalam keratan rentas rasuk. Profil rasuk biasa termasuk rasuk Gaussian dan rasuk atas rata, yang mengikut fungsi Gaussian dan atas rata (Rajah 4). Walau bagaimanapun, memandangkan sentiasa terdapat sebilangan titik panas atau turun naik tertentu di dalam laser, tiada laser boleh menghasilkan pancaran Gaussian sepenuhnya atau atas rata sepenuhnya yang betul-betul menepati fungsi eigennya. Perbezaan antara profil pancaran sebenar laser dan profil pancaran ideal biasanya diterangkan oleh metrik yang mengandungi faktor M2 laser.
10: Perbezaan (unit biasa: mrad)
Walaupun pancaran laser secara amnya dianggap berkolimat, ia sentiasa mengandungi jumlah perbezaan tertentu, yang menggambarkan sejauh mana pancaran mencapah pada jarak yang semakin meningkat dari pinggang pancaran laser akibat pembelauan. Dalam aplikasi dengan jarak operasi yang panjang, seperti sistem LIDAR, di mana objek mungkin beratus-ratus meter dari sistem laser, perbezaan menjadi isu yang sangat penting. Perbezaan rasuk biasanya ditakrifkan dari segi separuh sudut laser, dan perbezaan (θ) rasuk Gaussian ditakrifkan sebagai.
λ ialah panjang gelombang laser dan w0 ialah pinggang rasuk laser.
Parameter Sistem Akhir
Parameter akhir ini menerangkan prestasi sistem laser pada output.
11: Saiz Bintik (unit biasa: µm)
Saiz titik pancaran laser terfokus menerangkan diameter rasuk pada titik fokus sistem kanta fokus. Dalam banyak aplikasi, seperti pemprosesan bahan dan pembedahan perubatan, matlamatnya adalah untuk meminimumkan saiz tempat. Ini memaksimumkan ketumpatan kuasa dan membolehkan penciptaan ciri yang sangat halus (Rajah 5). Kanta asfera sering digunakan sebagai ganti kanta sfera konvensional untuk meminimumkan penyimpangan sfera dan menghasilkan saiz titik fokus yang lebih kecil. Sesetengah jenis sistem laser akhirnya tidak memfokuskan laser ke tempat, dalam hal ini parameter ini tidak berkenaan.
12: Jarak kerja (unit biasa: µm hingga m)
Jarak kerja sistem laser secara amnya ditakrifkan sebagai jarak fizikal dari elemen optik akhir (biasanya kanta pemfokus) ke objek atau permukaan di mana laser difokuskan. Sesetengah aplikasi, seperti laser perubatan, sering berusaha untuk meminimumkan jarak kerja, manakala aplikasi lain, seperti penderiaan jauh, sering bertujuan untuk memaksimumkan julat jarak kerja mereka.
