Có rất nhiều hệ thống laser phổ biến cho nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm xử lý vật liệu, phẫu thuật laser và viễn thám, nhưng nhiều hệ thống laser có chung các thông số chính. Việc thiết lập thuật ngữ chung cho các tham số này sẽ ngăn ngừa hiểu nhầm và việc hiểu chúng cho phép xác định thông số kỹ thuật phù hợp của các hệ thống và bộ phận laze để đáp ứng các yêu cầu ứng dụng.
Hình 1: Sơ đồ hệ thống xử lý vật liệu laser thông thường, trong đó mỗi thông số trong số 10 thông số chính của hệ thống laser được biểu thị bằng một số tương ứng
Thông số cơ bản
Các thông số cơ bản sau đây là những khái niệm cơ bản nhất của hệ thống laser và rất cần thiết để hiểu được những điểm nâng cao hơn.
1: Bước sóng (đơn vị điển hình: nm đến µm)
Bước sóng của tia laser mô tả tần số không gian của sóng ánh sáng phát ra. Bước sóng tối ưu cho một trường hợp sử dụng nhất định phụ thuộc nhiều vào ứng dụng. Các vật liệu khác nhau sẽ có đặc tính hấp thụ phụ thuộc bước sóng duy nhất trong quá trình xử lý vật liệu, dẫn đến các tương tác khác nhau với vật liệu. Tương tự, sự hấp thụ và giao thoa của khí quyển sẽ ảnh hưởng khác nhau đến các bước sóng nhất định trong viễn thám và các phức hợp khác nhau sẽ hấp thụ các bước sóng nhất định một cách khác nhau trong các ứng dụng laser y tế. Laser bước sóng ngắn hơn và quang học laser tạo điều kiện thuận lợi cho việc tạo ra các đặc điểm nhỏ, chính xác với lượng nhiệt ngoại vi tối thiểu vì tiêu điểm nhỏ hơn. Tuy nhiên, chúng thường đắt hơn và dễ bị hư hỏng hơn so với laser có bước sóng dài hơn.
2: Công suất và Năng lượng (đơn vị điển hình: W hoặc J)
Công suất của tia laser được đo bằng watt (W) và được sử dụng để mô tả công suất quang đầu ra của laser sóng liên tục (CW) hoặc công suất trung bình của laser xung. Laser xung cũng được đặc trưng bởi năng lượng xung của chúng, tỷ lệ thuận với công suất trung bình và tỷ lệ nghịch với tốc độ lặp lại của laser (Hình 2). Năng lượng được đo bằng joules (J).
Hình 2: Biểu diễn trực quan mối quan hệ giữa năng lượng xung, tốc độ lặp lại và công suất trung bình của xung laser
Laser năng lượng và công suất cao hơn thường đắt hơn và chúng tạo ra nhiều nhiệt thải hơn. Việc duy trì chất lượng chùm tia cao cũng trở nên khó khăn hơn khi công suất và năng lượng ngày càng tăng.
3: Thời lượng xung (đơn vị điển hình: fs đến ms)
Thời lượng xung laser hoặc độ rộng xung thường được định nghĩa là toàn bộ độ rộng ở mức tối đa một nửa (FWHM) của công suất ánh sáng laser theo thời gian (Hình 3). Laser cực nhanh mang lại nhiều lợi thế trong một loạt ứng dụng, bao gồm xử lý vật liệu chính xác và laser y tế, đồng thời được đặc trưng bởi thời lượng xung ngắn từ khoảng pico giây (10-12 giây) đến atto giây (10-18 giây).
Hình 3: Các xung laser được phân tách theo thời gian bằng nghịch đảo của tốc độ lặp lại
4: Tốc độ lặp lại (đơn vị điển hình: Hz đến MHz)
Tốc độ lặp lại hoặc tần số lặp lại xung của xung laser mô tả số lượng xung phát ra mỗi giây hoặc nghịch đảo khoảng thời gian phát xung (Hình 3). Như đã đề cập trước đó, tốc độ lặp lại tỷ lệ nghịch với năng lượng xung và tỷ lệ thuận với công suất trung bình. Mặc dù tốc độ lặp lại thường phụ thuộc vào môi trường khuếch đại laser nhưng nó có thể khác nhau trong nhiều trường hợp. Tốc độ lặp lại cao hơn dẫn đến thời gian hồi phục nhiệt ngắn hơn trên bề mặt quang học laze và tại điểm lấy nét cuối cùng, dẫn đến làm nóng vật liệu nhanh hơn.
5: Độ dài mạch lạc (đơn vị điển hình: milimét đến mét)
Các tia laser có tính kết hợp, nghĩa là có một mối quan hệ cố định giữa các giá trị pha của điện trường tại các thời điểm hoặc vị trí khác nhau. Điều này là do không giống như hầu hết các loại nguồn sáng khác, tia laser được tạo ra bằng sự phát xạ kích thích. Sự kết hợp suy giảm trong suốt quá trình truyền sóng và độ dài kết hợp của tia laser xác định khoảng cách mà qua đó sự kết hợp theo thời gian của laser được duy trì ở một chất lượng nhất định.
6: Phân cực
Sự phân cực xác định hướng của điện trường của sóng ánh sáng, luôn vuông góc với hướng truyền. Trong hầu hết các trường hợp, tia laser sẽ bị phân cực tuyến tính, nghĩa là điện trường phát ra luôn hướng theo cùng một hướng. Ánh sáng không phân cực sẽ có điện trường hướng theo nhiều hướng khác nhau. Mức độ phân cực thường được biểu thị bằng tỷ lệ tiêu cự của ánh sáng ở hai trạng thái phân cực trực giao, ví dụ 100:1 hoặc 500:1.
Thông số chùm tia
Các thông số sau đây mô tả hình dạng và chất lượng của chùm tia laser.
7: Đường kính chùm tia (đơn vị điển hình: mm đến cm)
Đường kính chùm tia laser đặc trưng cho sự mở rộng theo chiều ngang của chùm tia hoặc kích thước vật lý của nó vuông góc với hướng truyền. Nó thường được định nghĩa là chiều rộng 1/e2, đạt được nhờ cường độ chùm tia ở mức 1/e2 (≈ 13,5%). Tại điểm 1/e2, cường độ điện trường giảm xuống 1/e (≈ 37%). Đường kính chùm tia càng lớn thì quang học càng lớn và toàn bộ hệ thống cần phải lớn hơn để tránh bị cắt chùm tia, làm tăng chi phí. Tuy nhiên, việc giảm đường kính chùm tia làm tăng mật độ công suất/năng lượng, điều này cũng có thể gây bất lợi.
8: Mật độ công suất hoặc năng lượng (đơn vị điển hình: W/cm2 đến MW/cm2 hoặc µJ/cm2 đến J/cm2)
Đường kính chùm tia liên quan đến mật độ công suất/năng lượng của chùm tia laser hoặc công suất/năng lượng quang trên một đơn vị diện tích. Đường kính chùm tia càng lớn thì mật độ công suất/năng lượng của chùm tia có công suất hoặc năng lượng không đổi càng thấp. Ở đầu ra cuối cùng của hệ thống (ví dụ như trong cắt hoặc hàn laze), mật độ công suất/năng lượng cao thường được mong muốn, nhưng trong hệ thống, nồng độ công suất/năng lượng thấp thường có lợi để ngăn ngừa hư hỏng do laze gây ra. Điều này cũng ngăn chặn sự ion hóa không khí trong vùng mật độ năng lượng/công suất cao của chùm tia. Vì những lý do này, cùng với những lý do khác, thiết bị giãn nở chùm tia laser thường được sử dụng để tăng đường kính và do đó làm giảm mật độ công suất/năng lượng bên trong hệ thống laser. Tuy nhiên, phải cẩn thận để không mở rộng chùm tia quá nhiều đến mức chùm tia bị che khuất khỏi các khe trong hệ thống, dẫn đến lãng phí năng lượng và có thể gây hư hỏng.
9: Cấu hình chùm tia
Cấu hình chùm tia laser mô tả cường độ phân bố trong mặt cắt ngang của chùm tia. Cấu hình chùm tia phổ biến bao gồm các chùm Gaussian và chùm đỉnh phẳng, có cấu hình chùm tia tương ứng tuân theo các hàm Gaussian và đỉnh phẳng (Hình 4). Tuy nhiên, không có tia laser nào có thể tạo ra chùm tia trên cùng hoàn toàn Gaussian hoặc phẳng hoàn toàn với cấu hình chùm tia khớp chính xác với hàm riêng của nó, bởi vì luôn có một số điểm nóng hoặc dao động nhất định bên trong tia laser. Sự khác biệt giữa cấu hình chùm tia thực tế của laser và cấu hình chùm tia lý tưởng thường được mô tả bằng một thước đo bao gồm hệ số M2 của laser.
Hình 4: So sánh cấu hình chùm tia của chùm Gaussian có cùng công suất hoặc cường độ trung bình và chùm tia đỉnh phẳng cho thấy cường độ cực đại của chùm tia Gaussian gấp đôi so với chùm tia đỉnh phẳng.
10: Phân kỳ (đơn vị điển hình: mrad)
Mặc dù các chùm tia laser thường được coi là chuẩn trực, nhưng chúng luôn chứa một lượng phân kỳ nhất định, mô tả mức độ phân kỳ của chùm tia ở khoảng cách ngày càng tăng so với thắt lưng của chùm tia laser do nhiễu xạ. Trong các ứng dụng có khoảng cách hoạt động dài, chẳng hạn như hệ thống LIDAR nơi các vật thể có thể cách hệ thống laser hàng trăm mét, sự phân kỳ trở thành một vấn đề đặc biệt quan trọng. Độ phân kỳ của chùm tia thường được xác định bằng một nửa góc của tia laser và độ phân kỳ (θ) của chùm tia Gaussian được định nghĩa là:
Hình ảnh.
λ là bước sóng của tia laser và w0 là thắt lưng chùm tia của tia laser.
Thông số hệ thống cuối cùng
Các tham số cuối cùng này mô tả hiệu suất của hệ thống laser ở đầu ra.
11: Kích thước điểm (đơn vị điển hình: µm)
Kích thước điểm của chùm tia laser hội tụ mô tả đường kính chùm tia tại tiêu điểm của hệ thống thấu kính hội tụ. Trong nhiều ứng dụng, chẳng hạn như xử lý vật liệu và phẫu thuật y tế, mục tiêu là giảm thiểu kích thước điểm. Điều này tối đa hóa mật độ năng lượng và cho phép tạo ra các tính năng đặc biệt tốt. Thấu kính phi cầu thường được sử dụng thay cho thấu kính hình cầu truyền thống để giảm thiểu quang sai hình cầu và tạo ra kích thước tiêu điểm nhỏ hơn. Một số loại hệ thống laser cuối cùng không tập trung tia laser vào điểm, trong trường hợp đó thông số này không áp dụng.
12: Khoảng cách làm việc (đơn vị điển hình: µm đến m)
Khoảng cách làm việc của hệ thống laser thường được định nghĩa là khoảng cách vật lý từ thành phần quang học cuối cùng (thường là thấu kính lấy nét) đến vật thể hoặc bề mặt mà tia laser tập trung vào. Một số ứng dụng nhất định, chẳng hạn như laser y tế, thường tìm cách giảm thiểu khoảng cách làm việc, trong khi các ứng dụng khác, chẳng hạn như viễn thám, thường nhằm mục đích tối đa hóa phạm vi khoảng cách làm việc của chúng.
