Es gibt eine breite Palette von Allzweck-Lasersystemen für verschiedene Anwendungen wie Materialbearbeitung, Laserchirurgie und Fernerkundung, aber viele Lasersysteme haben wichtige Parameter gemeinsam. Die Festlegung gemeinsamer Begriffe für diese Parameter verhindert Missverständnisse, und wenn man sie versteht, können das Lasersystem und die Komponenten korrekt spezifiziert werden, um die Anwendungsanforderungen zu erfüllen.
Grundparameter
Die folgenden Grundparameter stellen die grundlegendsten Konzepte von Lasersystemen dar und sind auch für das Verständnis fortgeschrittenerer Punkte von entscheidender Bedeutung.
1. Wellenlänge(Typische Einheiten: nm/um)
Die Wellenlänge des Lasers beschreibt die Ortsfrequenz der emittierten Lichtwelle. Unterschiedliche Materialien weisen bei der Materialverarbeitung einzigartige wellenlängenabhängige Absorptionseigenschaften auf, was zu unterschiedlichen Wechselwirkungen mit dem Material führt. Ebenso haben atmosphärische Absorption und Interferenz bei der Fernerkundung unterschiedliche Auswirkungen auf bestimmte Wellenlängen, und bei medizinischen Laseranwendungen weisen verschiedene Komplexe bei bestimmten Wellenlängen unterschiedliche Absorptionen auf. Laser und Laseroptiken mit kürzerer Wellenlänge erleichtern die Erstellung kleiner, präziser Merkmale mit minimaler peripherer Erwärmung, da der Brennfleck kleiner ist. Allerdings sind sie im Allgemeinen teurer und anfälliger für Schäden als Laser mit längerer Wellenlänge.
2. Kraft und Energie(Typische Einheiten: W/J)
Die Leistung eines Lasers wird in Watt (W) gemessen und dient zur Beschreibung der optischen Leistung eines Dauerstrichlasers (CW) oder der durchschnittlichen Leistung eines gepulsten Lasers. Gepulste Laser zeichnen sich außerdem durch ihre Pulsenergie aus, die proportional zur Durchschnittsleistung und umgekehrt proportional zur Wiederholrate des Lasers ist. Energie wird in Joule (J) gemessen.
Laser mit höherer Leistung und Energie sind im Allgemeinen teurer und erzeugen mehr Abwärme. Mit steigender Leistung und Energie wird es immer schwieriger, eine hohe Strahlqualität aufrechtzuerhalten.
3. Impulsdauer(Typische Einheiten: fs/ms)
Die Dauer oder Breite des Laserpulses wird normalerweise als Halbwertsbreite (FWHM) der Laserlichtleistung und -zeit definiert. Ultraschnelle Laser bieten viele Vorteile in einer Reihe von Anwendungen, einschließlich der Präzisionsmaterialbearbeitung und medizinischen Lasern, und zeichnen sich durch kurze Pulsdauern von etwa Pikosekunden (10-12 Sekunden) bis Attosekunden (10-18 Sekunden) aus.
4. Wiederholungsrate(Typische Einheiten: Hz/MHz)
Die Wiederholungsrate oder Pulswiederholungsrate eines gepulsten Lasers beschreibt die Anzahl der pro Sekunde abgegebenen Pulse bzw. das umgekehrte Zeitintervall der Pulse. Wie bereits erwähnt, ist die Wiederholungsrate umgekehrt proportional zur Pulsenergie und proportional zur Durchschnittsleistung. Obwohl die Wiederholungsrate normalerweise vom Laserverstärkungsmedium abhängt, kann sie in vielen Fällen variieren. Die höhere Wiederholungsrate führt zu einer kürzeren thermischen Relaxationszeit für die Oberfläche und den endgültigen Fokus der Laseroptik, was zu einer schnelleren Erwärmung des Materials führt.
5. Kohärenzlänge(Typische Einheiten: mm/m)
Laser sind kohärent, was bedeutet, dass es eine feste Beziehung zwischen den Phasenwerten des elektrischen Feldes zu unterschiedlichen Zeiten oder Orten gibt. Dies liegt daran, dass Laserlicht im Gegensatz zu den meisten anderen Arten von Lichtquellen durch stimulierte Emission erzeugt wird. Die Kohärenz nimmt während der Ausbreitung ab , und die Kohärenzlänge eines Lasers definiert die Distanz, über die die zeitliche Kohärenz des Lasers eine bestimmte Qualität beibehält.
6. Polarisation
Die Polarisation definiert die Richtung des elektrischen Feldes einer Lichtwelle, die immer senkrecht zur Ausbreitungsrichtung verläuft. In den meisten Fällen wird der Laser linear polarisiert sein, was bedeutet, dass das emittierte elektrische Feld immer in die gleiche Richtung zeigt. Unpolarisiertes Licht weist elektrische Felder auf, die in viele verschiedene Richtungen zeigen. Polarisation wird normalerweise als Verhältnis der Brennstärke des Lichts in zwei orthogonalen Polarisationszuständen ausgedrückt, beispielsweise 100:1 oder 500:1.
Strahlparameter
Die folgenden Parameter charakterisieren die Form und Qualität des Laserstrahls.
7. Strahldurchmesser(Typische Einheiten: mm/cm)
Der Strahldurchmesser eines Lasers charakterisiert die Querausdehnung des Strahls bzw. seine physikalische Größe senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Sie wird normalerweise als 1/e2-Breite definiert, die dadurch definiert wird, dass die Strahlintensität 1/e2 (≈ 13,5 %) erreicht. Bei 1/e2 sinkt die Feldstärke auf 1/e (≈ 37 %). Je größer der Strahldurchmesser, desto größer müssen die Optik und das Gesamtsystem sein, um eine Abschneidung des Strahls und damit höhere Kosten zu vermeiden. Allerdings erhöht eine Verringerung des Strahldurchmessers die Leistungs-/Energiedichte, was ebenfalls schädlich sein kann.
8. Leistung oder Energiedichte(Typische Einheiten: W/cm2, MW/cm2 oder µJ/cm2, J/cm2)
Der Strahldurchmesser hängt von der Leistungs-/Energiedichte des Laserstrahls oder der optischen Leistung/Energie pro Flächeneinheit ab. Je größer der Strahldurchmesser, desto kleiner ist die Leistungs-/Energiedichte eines Strahls mit konstanter Leistung bzw. Energie. Im Endergebnis eines Systems (z. B. beim Laserschneiden oder -schweißen) ist eine hohe Leistungs-/Energiedichte normalerweise ideal, innerhalb des Systems ist jedoch eine niedrige Leistungs-/Energiekonzentration normalerweise vorteilhaft, um laserinduzierte Schäden zu verhindern. Dies verhindert auch, dass der Bereich mit hoher Leistungs-/Energiedichte des Strahls die Luft ionisiert. Unter anderem aus diesen Gründen werden häufig Laserstrahlverlängerer eingesetzt, um den Durchmesser zu vergrößern und so die Leistungs-/Energiedichte im Lasersystem zu verringern. Es muss jedoch darauf geachtet werden, dass der Strahl nicht zu stark aufgeweitet wird, sodass der Strahl nicht durch die Poren im System blockiert wird, was zu Energieverschwendung und möglichen Schäden führt.
9. Strahlprofil
Das Strahlprofil eines Lasers beschreibt die Intensitätsverteilung über den Strahlquerschnitt. Zu den gängigen Strahlprofilen gehören der Gaußsche Strahl und der Flachstrahl, deren Strahlprofile der Gaußschen Funktion bzw. der Flachfunktion folgen. Allerdings kann kein Laser einen perfekt gaußförmigen oder perfekt flachen Spitzenstrahl erzeugen, dessen Strahlprofil genau seiner charakteristischen Funktion entspricht, da es im Inneren des Lasers immer eine gewisse Anzahl von Hotspots oder Schwankungen gibt. Der Unterschied zwischen dem tatsächlichen Strahlprofil eines Lasers und dem idealen Strahlprofil wird normalerweise durch eine Metrik beschrieben, die den M2-Faktor des Lasers enthält.
10. Divergenz(typische Einheit: mrad)
Obwohl Laserstrahlen im Allgemeinen als kollimierend angesehen werden, weisen sie immer eine gewisse Divergenz auf, die das Ausmaß beschreibt, in dem der Strahl aufgrund der Beugung über eine zunehmende Entfernung von der Taille des Laserstrahls divergiert. Bei Anwendungen mit großen Arbeitsabständen wie LiDAR-Systemen, bei denen Objekte Hunderte von Metern vom Lasersystem entfernt sein können, wird Divergenz zu einem besonders wichtigen Problem. Die Strahldivergenz wird normalerweise durch den halben Winkel des Lasers definiert, und die Divergenz (θ) eines Gaußschen Strahls ist definiert als:
θ═λ/πw0
λ ist die Wellenlänge des Lasers und w0 ist die Taille des Lasers.
Diese endgültigen Parameter beschreiben die Leistung des Lasersystems bei der Ausgabe.
11. Spotgröße(Typische Einheit: µm)
Die Spotgröße des fokussierten Laserstrahls beschreibt den Strahldurchmesser im Brennpunkt des Fokussierlinsensystems. Bei vielen Anwendungen, beispielsweise in der Materialbearbeitung und in der medizinischen Chirurgie, besteht das Ziel darin, die Punktgröße zu minimieren. Dies maximiert die Leistungsdichte und ermöglicht die Erstellung besonders feinkörniger Merkmale. Asphärische Linsen werden häufig anstelle herkömmlicher sphärischer Linsen verwendet, um sphärische Aberrationen zu reduzieren und eine kleinere Brennfleckgröße zu erzeugen. Bei einigen Arten von Lasersystemen gelingt es nicht, den Laser auf den Punkt zu fokussieren. In diesem Fall gilt dieser Parameter nicht.
12. Arbeitsabstand(typische Einheit: µm / m)
Der Arbeitsabstand eines Lasersystems wird im Allgemeinen als der physische Abstand vom letzten optischen Element (normalerweise einer Fokussierlinse) zum Objekt oder der Oberfläche definiert, auf die der Laser fokussiert wird. Bei manchen Anwendungen, wie etwa bei medizinischen Lasern, wird häufig versucht, den Arbeitsabstand zu minimieren, während bei anderen Anwendungen, wie etwa bei der Fernerkundung, häufig die Maximierung des Arbeitsabstandsbereichs angestrebt wird.
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