Es gibt eine breite Palette von Allzweck-Lasersystemen für verschiedene Anwendungen wie Materialbearbeitung, Laserchirurgie und Fernerkundung, aber viele Lasersysteme haben gemeinsame Schlüsselparameter. Die Etablierung einer gemeinsamen Terminologie für diese Parameter verhindert Missverständnisse und ihr Verständnis ermöglicht die ordnungsgemäße Spezifikation von Lasersystemen und -komponenten zur Erfüllung der Anwendungsanforderungen.
Grundparameter
Die folgenden Grundparameter stellen die grundlegendsten Konzepte eines Lasersystems dar und sind für das Verständnis der fortgeschritteneren Punkte von wesentlicher Bedeutung.
1: Wellenlänge (typische Einheiten: nm bis µm)
Die Wellenlänge eines Lasers beschreibt die Ortsfrequenz der emittierten Lichtwelle. Die optimale Wellenlänge für einen bestimmten Anwendungsfall hängt stark von der Anwendung ab. Bei der Materialverarbeitung weisen verschiedene Materialien einzigartige wellenlängenabhängige Absorptionseigenschaften auf, die zu unterschiedlichen Wechselwirkungen mit dem Material führen. Ebenso können atmosphärische Absorption und Interferenzen bei der Fernerkundung bestimmte Wellenlängen unterschiedlich beeinflussen, und bei medizinischen Laseranwendungen können verschiedene Komplexe bestimmte Wellenlängen unterschiedlich absorbieren. Laser und Laseroptiken mit kürzerer Wellenlänge tragen dazu bei, kleine, präzise Merkmale mit minimaler peripherer Erwärmung zu erzeugen, da der Brennfleck kleiner ist. Sie sind jedoch in der Regel teurer und können leichter beschädigt werden als Laser mit längerer Wellenlänge.
2: Leistung und Energie (typische Einheiten: W oder 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 (Abbildung 2). Die Energie wird in Joule (J) gemessen.
Laser mit höherer Leistung und Energie sind in der Regel teurer und erzeugen mehr Abwärme. Mit zunehmender Leistung und Energie wird es auch schwieriger, eine hohe Strahlqualität aufrechtzuerhalten.
3: Impulsdauer (typische Einheiten: fs bis ms)
Die Laserpulsdauer oder -breite wird normalerweise als die Halbwertsbreite (FWHM) der Laserlichtleistung im Verhältnis zur Zeit definiert (Abbildung 3). 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 bis MHz)
Die Wiederholungsrate oder Pulswiederholungsfrequenz eines gepulsten Lasers beschreibt die Anzahl der pro Sekunde emittierten Pulse bzw. das umgekehrte Zeitpulsintervall (Abbildung 3). Wie bereits erwähnt, ist die Wiederholungsrate umgekehrt proportional zur Pulsenergie und direkt proportional zur Durchschnittsleistung. Während die Wiederholungsrate normalerweise vom Laserverstärkungsmedium abhängt, kann sie in vielen Fällen variieren. Höhere Wiederholungsraten führen zu kürzeren thermischen Relaxationszeiten an der optischen Oberfläche des Lasers und am endgültigen Fokus, was zu einer schnelleren Materialerwärmung führt.
5: Kohärenzlänge (typische Einheiten: Millimeter bis Meter)
Laser sind kohärent, das heißt, es besteht ein fester Zusammenhang zwischen den Phasenwerten des elektrischen Feldes zu unterschiedlichen Zeiten oder Orten. Dies liegt daran, dass Laser im Gegensatz zu den meisten anderen Arten von Lichtquellen durch angeregte Emission erzeugt werden. Die Kohärenz nimmt während des Übertragungsprozesses ab und die Kohärenzlänge des Lasers bestimmt die Entfernung, über die die zeitliche Kohärenz des Lasers eine bestimmte Qualität beibehält.
6: Polarisation
Die Polarisation bestimmt die Richtung des elektrischen Feldes einer Lichtwelle, die immer senkrecht zur Ausbreitungsrichtung steht. 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 hat ein elektrisches Feld, das in viele verschiedene Richtungen zeigt. Polarisation wird üblicherweise als Verhältnis der Brennweiten von Licht in zwei orthogonal polarisierten Zuständen ausgedrückt, beispielsweise 100:1 oder 500:1.
Strahlparameter
Die folgenden Parameter charakterisieren die Form und Qualität eines Laserstrahls.
7: Strahldurchmesser (typische Einheiten: mm bis cm)
Der Strahldurchmesser eines Lasers charakterisiert die seitliche Ausdehnung des Strahls bzw. die physikalische Abmessung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Sie wird üblicherweise als 1/e2-Breite definiert, dh die Breite, die durch die Strahlintensität bei 1/e2 (≈13,5 %) erreicht wird. Am 1/e2-Punkt sinkt die elektrische Feldstärke auf 1/e (≈37 %). Je größer der Strahldurchmesser, desto größer müssen die Optik und das gesamte System sein, um eine Strahlkürzung zu vermeiden, die die Kosten erhöht. Allerdings erhöht eine Verringerung des Strahldurchmessers die Leistungs-/Energiedichte, was ebenfalls nachteilig ist.
8: Leistungs- oder Energiedichte (typische Einheiten: W/cm2 bis MW/cm2 oder µJ/cm2 bis J/cm2)
Der Strahldurchmesser bezieht sich auf die Leistungs-/Energiedichte des Laserstrahls bzw. die optische Leistung/Energie pro Flächeneinheit. Je größer der Strahldurchmesser ist, desto geringer ist die Leistungs-/Energiedichte des Strahls mit konstanter Leistung oder konstanter Energie. Am Endausgang des Systems (z. B. beim Laserschneiden oder -schweißen) ist normalerweise eine hohe Leistungs-/Energiedichte erforderlich, aber innerhalb des Systems ist eine niedrige Leistungs-/Energiekonzentration normalerweise vorteilhaft, um laserinduzierte Schäden zu verhindern. Dies verhindert auch die Luftionisierung im Bereich hoher Leistungs-/Energiedichte des Strahls. Unter anderem aus diesen Gründen werden häufig Laserstrahlaufweiter eingesetzt, um den Durchmesser zu vergrößern und so die Leistungs-/Energiedichte im Lasersystem zu reduzieren. Es muss jedoch darauf geachtet werden, dass der Strahl nicht so weit ausgedehnt wird, dass er von der Apertur des Systems verdeckt wird, was zu Energieverschwendung und möglichen Schäden führen kann.
9: Strahlprofil
Das Strahlprofil eines Lasers beschreibt die verteilte Intensität im Strahlquerschnitt. Zu den gängigen Strahlprofilen gehören Gaußsche und Flat-Top-Strahlen, die Gauß- bzw. Flat-Top-Funktionen folgen (Abbildung 4). Da es jedoch immer eine gewisse Anzahl an Hotspots oder Fluktuationen im Inneren des Lasers gibt, kann kein Laser einen vollständig gaußförmigen oder vollständig abgeflachten Strahl erzeugen, der genau seiner Eigenfunktion entspricht. 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 kollimiert gelten, weisen sie immer eine gewisse Divergenz auf, die das Ausmaß beschreibt, in dem der Strahl aufgrund der Beugung bei zunehmender Entfernung von der Taille des Laserstrahls divergiert. Bei Anwendungen mit großen Betriebsabständen wie LIDAR-Systemen, bei denen Objekte Hunderte von Metern vom Lasersystem entfernt sein können, wird Divergenz zu einem besonders wichtigen Thema. Strahldivergenz wird normalerweise als Halbwinkel des Lasers definiert, und die Divergenz (θ) eines Gaußschen Strahls wird definiert als.
λ ist die Wellenlänge des Lasers und w0 ist die Strahltaille des Lasers.
Endgültige Systemparameter
Diese endgültigen Parameter beschreiben die Leistung des Lasersystems bei der Ausgabe.
11: Spotgröße (typische Einheit: µm)
Die Spotgröße eines fokussierten Laserstrahls beschreibt den Strahldurchmesser im Brennpunkt des Fokussierlinsensystems. Bei vielen Anwendungen, etwa in der Materialbearbeitung und in der medizinischen Chirurgie, besteht das Ziel darin, die Punktgröße zu minimieren. Dies maximiert die Leistungsdichte und ermöglicht die Erstellung außergewöhnlich feiner Merkmale (Abbildung 5). Asphärische Linsen werden häufig anstelle herkömmlicher sphärischer Linsen verwendet, um sphärische Aberrationen zu minimieren und kleinere Brennfleckgrößen zu erzeugen. Einige Arten von Lasersystemen fokussieren den Laser letztendlich nicht auf den Punkt, sodass dieser Parameter nicht anwendbar ist.
12: Arbeitsabstand (typische Einheit: µm bis 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 oft darauf abgezielt, den Arbeitsabstand zu minimieren, während andere Anwendungen, wie etwa bei der Fernerkundung, häufig darauf abzielen, den Arbeitsabstandsbereich zu maximieren.
