קיים מגוון רחב של מערכות לייזר נפוצות למגוון יישומים, כולל עיבוד חומרים, ניתוחי לייזר וחישה מרחוק, אך מערכות לייזר רבות חולקות פרמטרים מרכזיים משותפים. קביעת טרמינולוגיה משותפת לפרמטרים אלו מונעת תקשורת שגויה, והבנתם מאפשרת מפרט נכון של מערכות ורכיבי לייזר כדי לעמוד בדרישות היישום.
איור 1: סכמטי של מערכת נפוצה לעיבוד חומרי לייזר, כאשר כל אחד מ-10 הפרמטרים המרכזיים של מערכת לייזר מיוצג על ידי מספר מתאים
פרמטרים בסיסיים
הפרמטרים הבסיסיים הבאים הם המושגים הבסיסיים ביותר של מערכת לייזר וחיוניים להבנת הנקודות המתקדמות יותר.
1: אורך גל (יחידות טיפוסיות: ננומטר עד מיקרומטר)
אורך הגל של לייזר מתאר את התדר המרחבי של גל האור הנפלט. אורך הגל האופטימלי עבור מקרה שימוש נתון תלוי מאוד באפליקציה. לחומרים שונים יהיו תכונות ספיגה ייחודיות תלויות אורך גל בעיבוד החומר, וכתוצאה מכך אינטראקציות שונות עם החומר. באופן דומה, בליעה והפרעות אטמוספריות ישפיעו באופן שונה על אורכי גל מסוימים בחישה מרחוק, ומתחמים שונים יספגו אורכי גל מסוימים בצורה שונה ביישומי לייזר רפואי. לייזרים באורך גל קצר יותר ואופטיקה לייזר מקלים על יצירת תכונות קטנות ומדויקות עם חימום היקפי מינימלי מכיוון שנקודת המוקד קטנה יותר. עם זאת, הם בדרך כלל יקרים יותר וניזוקים בקלות רבה יותר מאשר לייזרים באורך גל ארוך יותר.
2: כוח ואנרגיה (יחידות טיפוסיות: W או J)
הספק של לייזר נמדד בוואט (W) ומשמש לאפיון הספק האופטי של לייזר גל מתמשך (CW) או הספק ממוצע של לייזר פועם. לייזרים פולסים מאופיינים גם באנרגיית הדופק שלהם, שהיא פרופורציונלית להספק הממוצע ובפרופורציה הפוך לקצב החזרות של הלייזר (איור 2). אנרגיה נמדדת בג'אול (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 לקשה יותר עם הגדלת הכוח והאנרגיה.
3: משך דופק (יחידות טיפוסיות: fs עד ms)
משך דופק הלייזר או רוחב הדופק מוגדרים בדרך כלל כרוחב המלא בחצי המקסימום (FWHM) של הספק אור הלייזר לעומת זמן (איור 3). לייזרים מהירים במיוחד מציעים יתרונות רבים במגוון יישומים כולל עיבוד חומרים מדויקים ולייזרים רפואיים, והם מאופיינים במשכי דופק קצרים של בערך פיקו-שניות (10-12 שניות) עד לאטו-שניות (10-18 שניות).
איור 3: פעימות לייזר מופרדות בזמן על ידי ההדדיות 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 ובנקודת המיקוד הסופית, מה שמוביל לחימום חומר מהיר יותר.
5: אורך קוהרנטיות (יחידות טיפוסיות: מילימטרים עד מטרים)
הלייזרים הם קוהרנטיים, כלומר קיים קשר קבוע בין ערכי הפאזה של השדה החשמלי בזמנים או במקומות שונים. הסיבה לכך היא שבניגוד לרוב סוגי מקורות האור האחרים, לייזרים מיוצרים על ידי פליטה נרגשת. הקוהרנטיות מתדרדרת לאורך תהליך ההתפשטות, ואורך הקוהרנטיות של לייזר מגדיר מרחק בו נשמרת הקוהרנטיות הזמנית של הלייזר באיכות מסוימת.
6: קיטוב
קיטוב מגדיר את כיוון השדה החשמלי של גל אור, שהוא תמיד מאונך לכיוון ההתפשטות. ברוב המקרים, הלייזר יהיה מקוטב ליניארי, כלומר השדה החשמלי הנפלט תמיד מצביע לאותו כיוון. לאור לא מקוטב יהיה שדה חשמלי שמצביע לכיוונים רבים ושונים. מידת הקיטוב מתבטאת בדרך כלל כיחס בין אורכי המוקד של האור בשני מצבים מקוטבים אורתוגונלית, למשל 100:1 או 500:1.
פרמטרים של קרן
הפרמטרים הבאים מאפיינים את הצורה והאיכות של קרן לייזר.
7: קוטר הקורה (יחידות טיפוסיות: מ"מ עד ס"מ)
קוטר הקרן של לייזר מאפיין את ההרחבה הצידית של הקרן, או את הממד הפיזי שלה בניצב לכיוון ההתפשטות. בדרך כלל הוא מוגדר כרוחב 1/e2, אליו מגיעים עוצמת האלומה ב-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 של הקורה, מה שמייקר 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 MW/cm2 או µJ/cm2 עד J/cm2)
קוטר הקרן מתייחס לצפיפות ההספק/אנרגיה של קרן הלייזר או להספק/אנרגיה האופטית ליחידת שטח. ככל שקוטר האלומה גדול יותר, כך צפיפות ההספק/אנרגיה נמוכה יותר של אלומה בעלת הספק או אנרגיה קבועים. בתפוקה הסופית של המערכת (למשל, בחיתוך לייזר או ריתוך), לעיתים קרובות רצויה צפיפות הספק/אנרגיה גבוהה, אך בתוך המערכת, ריכוז הספק/אנרגיה נמוך מועיל לעיתים קרובות כדי למנוע נזק שנגרם כתוצאה מלייזר. זה גם מונע יינון של האוויר באזור צפיפות הספק/אנרגיה גבוהה של האלומה. מסיבות אלו, בין היתר, משתמשים במרחיבי קרן לייזר לרוב להגדלת הקוטר ובכך להפחית את צפיפות ההספק/אנרגיה בתוך מערכת הלייזר. עם זאת, יש להקפיד שלא להרחיב את האלומה עד כדי כך שהקרן תסתיר מהפתחים במערכת וכתוצאה מכך לבזבוז אנרגיה ולנזק אפשרי.
9: פרופיל קרן
פרופיל הקרן של לייזר מתאר את העוצמה המפוזרת בחתך הקרן. פרופילי אלומה נפוצים כוללים קורות גאוסיות וקורות שטוחות, שפרופילי הקורות שלהן עוקבים אחר הפונקציות גאוסיות וחלק עליון שטוח, בהתאמה (איור 4). עם זאת, אף לייזר לא יכול לייצר קרן עליונה גאוסית לחלוטין או שטוחה לחלוטין עם פרופיל קרן התואם בדיוק את הפונקציה העצמית שלה, מכיוון שתמיד יש מספר מסוים של נקודות חמות או תנודות בתוך הלייזר. ההבדל בין פרופיל הקרן בפועל של לייזר לפרופיל הקרן האידיאלי מתואר בדרך כלל על ידי מדד הכולל את גורם M2 של הלייזר.
איור 4: השוואה של פרופיל האלומה של אלומה גאוסית עם אותו הספק או עוצמה ממוצעים וקרן עליונה שטוחה מראה שעוצמת השיא של האלומה גאוסית היא פי שניים מזו של האלומה העליונה השטוחה.
10: סטייה (יחידות אופייניות: mrad)
למרות שקרני לייזר נחשבות בדרך כלל לקולימציות, הן תמיד מכילות כמות מסוימת של סטייה, המתארת את המידה שבה הקרן מתפצלת במרחקים הולכים וגדלים ממותני קרן הלייזר עקב עקיפה. ביישומים עם מרחקי הפעלה ארוכים, כמו מערכות LIDAR שבהן עצמים עשויים להיות במרחק מאות מטרים ממערכת הלייזר, סטייה הופכת לנושא חשוב במיוחד. סטיית קרן מוגדרת בדרך כלל על ידי חצי הזווית של הלייזר, והדיברגנציה (θ) של קרן גאוס מוגדרת כ:
תְמוּנָה.
λ 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 בפלט.
11: גודל נקודה (יחידה טיפוסית: מיקרומטר)
גודל הנקודה של קרן לייזר ממוקדת מתאר את קוטר הקרן בנקודת המוקד של מערכת עדשות המיקוד. ביישומים רבים, כמו עיבוד חומרים וניתוחים רפואיים, המטרה היא למזער את גודל הנקודה. זה ממקסם את צפיפות ההספק ומאפשר יצירת תכונות משובחות במיוחד. עדשות אספריות משמשות לעתים קרובות במקום עדשות כדוריות מסורתיות כדי למזער סטייה כדורית ולייצר גדלי נקודות מוקד קטנים יותר. סוגים מסוימים של מערכות לייזר אינן ממקדות בסופו של דבר את הלייזר למקום, ובמקרה זה פרמטר זה אינו חל.
12: מרחק עבודה (יחידות טיפוסיות: מיקרומטר עד מ')
מרחק העבודה של מערכת לייזר מוגדר בדרך כלל כמרחק הפיזי מהאלמנט האופטי הסופי (בדרך כלל עדשת המיקוד) לאובייקט או למשטח עליו מתמקד הלייזר. יישומים מסוימים, כגון לייזרים רפואיים, מבקשים בדרך כלל למזער את מרחק העבודה, בעוד שיישומים אחרים, כגון חישה מרחוק, שואפים בדרך כלל למקסם את טווח מרחק העבודה שלהם.
