Có nhiều loại hệ thống laser đa năng dành cho nhiều ứng dụng khác nhau như 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 sự hiểu lầm 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.
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. Trong xử lý vật liệu, các vật liệu khác nhau có đặc tính hấp thụ phụ thuộc vào bước sóng duy nhất dẫn đến các tương tác khác nhau với vật liệu. Tương tự, trong viễn thám, sự hấp thụ và giao thoa của khí quyển có thể ảnh hưởng khác nhau đến các bước sóng nhất định và trong các ứng dụng laser y tế, các phức hợp khác nhau có thể hấp thụ các bước sóng nhất định một cách khác nhau. Laser bước sóng ngắn hơn và quang học laser giúp 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 phát ra từ 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).
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).
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 khoảng thời gian xung ngược (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 ở bề mặt quang học của tia laser và ở tiêu điểm 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. Độ kết hợp giảm trong suốt quá trình truyền và độ dài kết hợp của tia laser xác định khoảng cách mà độ kết hợp theo thời gian của laser vẫn 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. 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 đặc trưng cho 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 vuông góc với hướng truyền. Nó thường được định nghĩa là chiều rộng 1/e2, tức là chiều rộng 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 hệ thống quang học và toàn bộ hệ thống càng cần phải lớn hơn để tránh bị cắt chùm tia, điều này làm tăng chi phí. Tuy nhiên, việc giảm đường kính chùm tia làm tăng mật độ công suất/năng lượng, điều này cũng có hại.
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 công suất không đổi 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 yêu cầu, nhưng trong hệ thống, nồng độ công suất/năng lượng thấp thường có lợi trong việc 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 lớn đến mức chùm tia bị che khuất khỏi khẩu độ của 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 dầm phổ biến bao gồm dầm Gaussian và dầm đỉnh phẳng, lần lượt tuân theo các hàm Gaussian và đỉnh phẳng (Hình 4). Tuy nhiên, vì luôn có một số lượng điểm nóng hoặc thăng giáng nhất định bên trong tia laser, nên không tia laser nào có thể tạo ra chùm tia Gaussian hoàn toàn hoặc chùm tia có đỉnh phẳng hoàn toàn phù hợp chính xác với hàm riêng của nó. Sự khác biệt giữa biên dạng chùm tia thực tế của laser và biên dạng chùm tia lý tưởng thường được mô tả bằng thước đo chứa hệ số M2 của laser.
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 từ thắt lưng 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 theo nửa góc của tia laser và độ phân kỳ (θ) của chùm tia Gaussian được định nghĩa là.
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 (Hình 5). Thấu kính phi cầu thường được sử dụng thay cho thấu kính hình cầu thông thường 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 được 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 hội tụ) đến vật thể hoặc bề mặt mà tia laser tập trung vào. Một số ứng dụng, 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.
