Ключевые параметры лазерной системы
2025-12-06
В различных областях применения – от обработки материалов и лазерной хирургии до дистанционного зондирования – используются универсальные лазерные системы. Однако у многих из них есть общие ключевые параметры. Создание единых терминов для обозначения этих параметров позволяет избежать ошибок в коммуникации, а их понимание способствует правильному выбору лазерных систем и компонентов, соответствующих конкретным требованиям.
Рисунок 1: Схематическое изображение типичной системы обработки лазерными материалами; каждый из 10 ключевых параметров лазерной системы обозначен соответствующим числом.
Ниже приведены основные параметры лазерной системы, которые являются базовыми понятиями и играют ключевую роль в понимании более сложных аспектов её работы.
1: длина волны (типичные единицы измерения: нм и мкм)
Длина волны лазера определяет пространственную частоту излучаемого света. Оптимальная длина волны для конкретного применения в значительной степени зависит от конкретного случая. Разные материалы при обработке обладают уникальными поглощающими свойствами, зависящими от длины волны, что приводит к различным взаимодействиям с материалами. Аналогично, атмосферное поглощение и помехи оказывают разное влияние на определённые длины волн в дистанционном зондировании, а в медицинских лазерных системах поглощение определённых длины волн различается в зависимости от типа комплекса. Лазеры и оптические компоненты с короткими длиной волн способствуют созданию малых и точных структур при минимальном периферическом нагреве благодаря уменьшению фокусного пятна. Однако они, как правило, дороже и более уязвимы к повреждениям по сравнению с лазерами длинной длины волны.
2: Мощность и энергия (типичные единицы измерения: Вт или Дж)
Мощность лазера измеряется в ваттах (W) и характеризует световую мощность выходного сигнала непрерывного лазера (CW) или среднюю мощность импульсного лазера. Импульсный лазер также отличается импульсной энергией, пропорциональной средней мощности и обратно пропорциональной частоте повторения импульсов (рис. 2). Энергия измеряется в джоулях (J).
Рисунок 2: Визуализация зависимости энергии импульса, частоты повторения импульсов и средней мощности импульсного лазера
Лазеры с более высокой мощностью и энергией, как правило, дороже и выделяют больше тепла. По мере увеличения мощности и энергии становится всё сложнее поддерживать высокое качество луча.
3: Продолжительность импульса (типичные единицы измерения: фемтосекунды – миллисекунды)
Продолжительность лазерного импульса или его ширина обычно определяется как полупиковая полоса пропускания (FWHM) лазерной мощности в зависимости от времени (рисунок 3). Ультракороткие лазеры обладают рядом преимуществ в различных областях применения, включая точную обработку материалов и медицинскую лазерную технику; их характеризует короткая продолжительность импульсов — от пикосекунд (10⁻¹² с) до асекунд (10⁻¹⁸ с).
Рисунок 3: импульсы импульсного лазера разделены по времени на частоту, обратную частоте повторения.
4: Частота повторения (типичные единицы измерения: Гц–МГц)
Частота импульсов лазера, или частота импульсного повторения, определяется как количество импульсов, испускаемых в секунду, или как интервал между импульсами в обратном направлении (рис. 3). Как уже упоминалось, частота повторения обратно пропорциональна энергии импульсов и прямо пропорциональна средней мощности. Хотя она обычно зависит от лазерного усилительного среды, во многих случаях может изменяться. Более высокая частота повторения приводит к сокращению времени тепловой релаксации на поверхности лазерного оптического устройства и в фокусе, что вызывает более быстрое нагревание материала.
5: длина когерентности (типичные единицы измерения: миллиметры, метры)
Лазер является когерентным, то есть между фазовыми значениями электрического поля в разные моменты времени или в разных точках пространства существует фиксированная зависимость. Это объясняется тем, что, в отличие от большинства других типов источников света, лазер генерируется за счёт возбуждённого излучения. Когерентность постепенно ухудшается по мере распространения, и когерентная длина лазера определяет расстояние, на котором временная когерентность сохраняется с достаточной степенью.
6: Поларизация
Поляризация определяет направление электрического поля световой волны и всегда перпендикулярно направлению её распространения. В большинстве случаев лазер будет линейно поляризованным, то есть электрическое поле, излучаемое лазером, всегда направлено в одну и ту же сторону. Неполяризованный свет имеет электрическое поле, направленное во множество различных направлений. Степень поляризации обычно выражается как отношение фокусных дистанций двух ортогональных поляризованных состояний света, например, 100:1 или 500:1.
Параметры луча
Ниже приведены параметры, характеризующие форму и качество лазерного луча.
7: Диаметр луча (типичные единицы измерения: мм–см)
Диаметр луча лазера характеризует его поперечное расширение или физические размеры, перпендикулярные направлению распространения. Обычно его определяют как ширину 1/e², при которой интенсивность луча достигает 1/e² (≈ 13,5%). В точке 1/e² интенсивность электрического поля снижается до 1/e (≈ 37%). Чем больше диаметр луча, тем больше требуются оптические устройства и система в целом, чтобы избежать его разрезания, что увеличивает стоимость. Однако уменьшение диаметра луча приводит к росту плотности мощности или энергии, что также может быть вредным.
8: плотность мощности или энергии (типичные единицы измерения: Вт/см², МВт/см² или мкДж/см², Дж/см²)
Диаметр лазерного луча зависит от его мощности или энергетической плотности, а также от световой мощности или энергии на единицу площади. Чем больше диаметр луча, тем ниже плотность мощности или энергии при постоянной мощности или энергии. На выходе системы — например, при лазерном резании или сварке — обычно предпочтительна высокая плотность мощности или энергии, однако внутри системы полезна низкая плотность, поскольку она предотвращает повреждения, вызванные лазером. Это также помогает избежать ионизации воздуха в зонах с высокой плотностью мощности или энергии. По этим и другим причинам лазерные расширители часто используются для увеличения диаметра луча, чтобы снизить плотность мощности или энергии внутри лазерной системы. Однако важно не допускать чрезмерного расширения луча, чтобы он не попадал в пазы системы, что привело бы к потере энергии и потенциальным повреждениям.
9: контур луча
Контур луча лазера характеризует распределение интенсивности на его поперечном сечении. К распространённым типам относятся гауссовский и плоский лучи, профили которых соответствуют гауссовской и плоской функциям соответственно (рис. 4). Однако ни один лазер не способен генерировать полностью гауссовский или полностью плоский луч с идеальным профилем, поскольку внутри лазера всегда присутствует определённое количество точек повышенной интенсивности или колебаний. Разница между реальным и идеальным профилем луча лазера обычно описывается с помощью метрики, включающей коэффициент M2 лазера.
Сравнение профилей лучей гауссовского и плоскогорного излучения при одинаковой средней мощности показывает, что пиковая интенсивность луча гауссовского излучения в два раза превышает интенсивность луча плоскогорного излучения.
10: Дивергенция (типичная единица измерения – мрад)
Хотя лазерный луч обычно считается коллимированным, он всегда содержит определённую дивергенцию — это степень расхождения луча на расстоянии от лазерного источника, вызванная дифракцией. В приложениях с большой рабочей дистанцией, например в системах лазерного радарного сканирования, объекты могут находиться на расстоянии в сотни метров от лазерной системы, и дивергенция становится особенно важной проблемой. Дивергенцию луча обычно определяют по полууглу лазера; для гауссового луча она выражается как:
λ — длина волны лазера, w₀ — толщина пучка лазера.
Параметры системы в конечном итоге
Эти конечные параметры характеризуют характеристики выходного сигнала лазерной системы.
11: Размер пятна (типичная единица измерения: мкм)
Размер пятна лазерного луча характеризует диаметр луча в фокусе системы фокусирующих линз. Во многих областях, таких как обработка материалов и медицинская хирургия, целью является минимизация размера пятна. Это позволяет максимально повысить плотность мощности и создавать особо тонкие функции (рис. 5). Обычно асферические линзы используются вместо традиционных сферических, чтобы уменьшить сферическую аберрацию и получить более малое фокусное пятно. В некоторых типах лазерных систем лазер не фокусируется на пятне, и в этом случае данный параметр не применим.
Рисунок 5: Эксперимент по лазерной микропроцессингу в Итальянском институте технологий показывает, что при постоянном расходе света эффективность абляции системы наносекундного лазерного сверления увеличивается в 10 раз при уменьшении размера светового пятна с 220 мкм до 9 мкм.
12: Рабочая дистанция (типичные единицы измерения: мкм–м)
Рабочая дистанция лазерной системы обычно определяется как физическое расстояние от конечного оптического элемента (обычно фокусирующей линзы) до объекта или поверхности, на которую направляется лазерный луч. В некоторых приложениях, таких как медицинские лазеры, стремится к минимизации рабочей дистанции, тогда как в других, например в дистанционном зондировании, её целесообразно максимизировать.
