Có nhiều hệ thống laser thông dụng được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau như xử lý vật liệu, phẫu thuật laser và cảm biến từ xa, nhưng nhiều hệ thống laser có các thông số chính chung. Việc thiết lập thuật ngữ chung cho các thông số này giúp ngăn ngừa lỗi giao tiếp và hiểu chúng cho phép chỉ định chính xác hệ thống laser và các thành phần để đáp ứng các yêu cầu ứng dụng.
Hình 1: Sơ đồ hệ thống xử lý vật liệu laser thông thường, trong đó mỗi một trong 10 thông số chính của hệ thống laser được biểu thị bằng một số tương ứng
Các thông số cơ bản
Các thông số cơ bản sau đây là những khái niệm cơ bản nhất về hệ thống laser và cũng rất quan trọng để hiểu các điểm nâng cao hơn
1: Bước sóng (đơn vị điển hình: nm đến um)
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 rất nhiều vào ứng dụng. Các vật liệu khác nhau sẽ có các đặc tính hấp thụ phụ thuộc vào bước sóng riêng biệt trong quá trình xử lý vật liệu, dẫn đến các tương tác khác nhau với vật liệu. Tương tự như vậy, sự hấp thụ và nhiễu khí quyển sẽ ảnh hưởng đến một số bước sóng khác nhau trong cảm biến từ xa và các phức hợp khác nhau sẽ hấp thụ một số bước sóng khác nhau trong các ứng dụng laser y tế. Laser bước sóng ngắn hơn và quang học laser có lợi cho việc tạo ra các đặc điểm nhỏ và chính xác với nhiệt độ ngoại vi tối thiểu vì điểm hội tụ nhỏ hơn. Tuy nhiên, chúng thường đắt hơn và dễ bị hư hỏng hơn so với laser bước sóng dài hơn.
2: Công suất và Năng lượng (Đơn vị tiêu biểu: W hoặc J)
Công suất của 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 Joule (J).
Hình 2: Biểu diễn trực quan mối quan hệ giữa năng lượng xung, tốc độ lặp lại và công suất trung bình của tia laser xung
Tia laser có công suất và năng lượng cao hơn thường đắt hơn và tạo ra nhiều nhiệt thải hơn. Việc duy trì chất lượng chùm tia cao cũng trở nên ngày càng khó khăn khi công suất và năng lượng tăng lên.
3: Thời gian xung (Đơn vị điển hình: fs đến ms)
Độ dài xung laser hoặc độ rộng xung thường được định nghĩa là độ rộng toàn phần ở nửa cực đại (FWHM) của công suất quang laser so với thời gian (Hình 3). Laser siêu nhanh cung cấp nhiều lợi thế trong nhiều ứng dụng bao gồm xử lý vật liệu chính xác và laser y tế. Chúng được đặc trưng bởi độ dài xung ngắn theo thứ tự pico giây (10-12 giây) đến atto giây (10-18 và ít hơn
P(W)
1/Tỷ lệ lặp lại
Mua tài khoản công khai Thời gian(s)
Hình 3: Các xung của tia laser xung được tách ra 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 laser xung mô tả số xung phát ra mỗi giây hoặc khoảng thời gian xung nghịch đảo (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 thay đổi trong nhiều trường hợp. Tốc độ lặp lại cao hơn dẫn đến thời gian giãn nhiệt ngắn hơn ở bề mặt quang học laser và tại tiêu điểm cuối cùng, dẫn đến vật liệu nóng lên nhanh hơn.
5: Độ dài mạch lạc (Đơn vị tiêu biểu: Milimet sang Mét)
Tia laser có tính đồng bộ, nghĩa là các dòng điện tại các thời điểm hoặc vị trí khác nhau đều có tính đồng bộ. Có một mối quan hệ cố định giữa các giá trị pha trường. Điều này là do tia laser, không giống như hầu hết các loại nguồn sáng khác, được tạo ra bằng phát xạ kích thích. Chiều dài đồng bộ xác định khoảng cách mà tính đồng bộ theo thời gian của ánh sáng laser vẫn không đổi trong suốt quá trình truyền ánh sáng laser, mà không bị suy giảm trong quá trình này.
6: Phân cực
Phân cực xác định hướng của trường điện của sóng ánh sáng, "nó luôn vuông góc với hướng truyền. Trong hầu hết các trường hợp, ánh sáng laser sẽ được phân cực tuyến tính, nghĩa là trường điện phát ra luôn hướng theo cùng một hướng. Ánh sáng không phân cực sẽ có trường điện hướng theo nhiều hướng khác nhau. Mức độ phân cực thường được biểu thị bằng tỷ số công suất quang của hai trạng thái phân cực trực giao, chẳng hạn như 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 tiêu biểu: mm đến cm)
Đường kính chùm tia của laser đặc trưng cho sự mở rộng theo chiều ngang của chùm tia, hoặc kích thước vật lý của chùm tia vuông góc với hướng truyền. Nó thường được định nghĩa là chiều rộng 1/e2, là chiều rộng của cường độ chùm tia lên đến 1/e2 (=13.5%). Tại điểm 1/e2, cường độ trường điện giảm xuống 1/e (=37%). Đường kính chùm tia càng lớn thì quang học và toàn bộ hệ thống càng lớn để tránh chùm tia bị cắt cụt, làm tăng chi phí. Tuy nhiên, việc giảm đường kính chùm tia sẽ 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 tiêu biểu: W/cm2 sang MWicm2 hoặc uJ/cm2 sang J/cm2)
Đường kính chùm tia liên quan đến mật độ công suất/năng lượng của chùm tia laser. Mật độ năng lượng hoặc lượng 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 càng thấp để có công suất hoặc năng lượng không đổi. Mật độ công suất/năng lượng cao thường được mong muốn ở đầu ra cuối cùng của hệ thống (ví dụ như trong quá trình cắt hoặc hàn bằng laser), nhưng nồng độ công suất/năng lượng thấp thường có lợi bên trong hệ thống để ngăn ngừa hư hỏng do laser gây ra. Điều này cũng ngăn các vùng có mật độ công suất/năng lượng cao của chùm tia ion hóa không khí. Vì những lý do này, trong số những lý do khác, bộ mở rộng 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 không để chùm tia mở rộng quá mức đến mức nó bị chặn khỏi các lỗ hổng trong hệ thống, dẫn đến lãng phí năng lượng và hư hỏng tiềm ẩn.
9: Hồ sơ chùm tia
Biên dạng chùm tia của laser mô tả cường độ phân bố trên mặt cắt ngang của chùm tia. Các biên dạng chùm tia phổ biến bao gồm chùm tia Gauss và chùm tia đỉnh phẳng, trong đó biên dạng chùm tia tuân theo hàm Gauss và hàm đỉnh phẳng (Hình 4). Tuy nhiên, không có laser nào có thể tạo ra chùm tia hoàn toàn theo Gauss hoặc hoàn toàn theo đỉnh phẳng với biên dạng chùm tia khớp chính xác với hàm đặc trưng của nó, vì luôn có một lượng điểm nóng hoặc dao động nhất định bên trong laser. Sự khác biệt giữa biên dạng chùm tia thực tế của laser và biên dạng chùm tia lý tưởng thường được mô tả bằng các số liệu bao gồm hệ số M2 của laser
Hồ sơ dầm đỉnh phẳng và Gaussian
Hình 4: So sánh các cấu hình chùm tia của chùm tia Gauss và chùm tia đỉnh phẳng có công suất hoặc cường độ trung bình bằng nhau cho thấy cường độ đỉnh của chùm tia Gauss gấp đôi cường độ đỉnh phẳng
10: Phân kỳ (đơn vị điển hình: mrad)
Trong khi các chùm tia laser thường được coi là đã được định hướng, chúng luôn chứa một lượng phân kỳ nhất định, mô tả mức độ mà chùm tia phân kỳ ở khoảng cách ngày càng tăng từ eo chùm tia laser do nhiễu xạ. Trong các ứng dụng khoảng cách làm việc xa, chẳng hạn như hệ thống LiDAR, nơi các vật thể có thể cách hệ thống laser hàng trăm mét, thì sự phân kỳ trở thành một vấn đề đặc biệt quan trọng. Sự phân kỳ chùm tia thường được xác định bằng một nửa góc của tia laser và sự phân kỳ của chùm tia Gauss (0) được định nghĩa là:
W là bước sóng của tia laser và w0 là eo chùm tia laser
Các thông số hệ thống cuối cùng
Các thông số cuối cùng này mô tả hiệu suất của hệ thống laser ở đầu ra
11: Kích thước điểm (đơn vị điển hình: um)
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 như chế biến vật liệu và phẫu thuật y khoa, mục tiêu là giảm thiểu kích thước điểm. Điều này tối đa hóa mật độ công suất và cho phép tạo ra các đặc điểm đặc biệt tinh xảo (Hình 5). Thấu kính phi cầu thường được sử dụng thay cho thấu kính hình cầu truyền thống để giảm quang sai hình cầu và tạo ra kích thước điểm hội tụ nhỏ hơn. Một số loại hệ thống laser cuối cùng không hội tụ tia laser vào một điểm, trong trường hợp đó, thông số này không áp dụng.
Hình 5: Các thí nghiệm gia công vi mô bằng laser tại Viện Công nghệ Ý cho thấy hiệu quả cắt bỏ tăng 10- lần trong hệ thống khoan laser nano giây khi kích thước điểm giảm từ 220um xuống 9um ở tốc độ dòng chảy không đổi
12: Khoảng cách làm việc (đơn vị điển hình: um 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 laser hội tụ. Một số ứng dụng, chẳng hạn như laser y tế, thường tìm cách giảm thiểu khoảng cách làm việc, trong khi những ứng dụng khác, chẳng hạn như cảm biến từ xa, thường hướng đến mục tiêu tối đa hóa phạm vi khoảng cách làm việc của chúng.
