แนวคิดเกี่ยวกับพารามิเตอร์หลักบางประการเกี่ยวกับระบบเลเซอร์

มีระบบเลเซอร์อเนกประสงค์ที่หลากหลายสำหรับการใช้งานที่หลากหลาย เช่น การแปรรูปวัสดุ การผ่าตัดด้วยเลเซอร์ และการรับรู้ระยะไกล แต่ระบบเลเซอร์จำนวนมากใช้พารามิเตอร์หลักร่วมกัน การสร้างคำศัพท์ทั่วไปสำหรับพารามิเตอร์เหล่านี้จะช่วยป้องกันความเข้าใจผิด และการทำความเข้าใจคำศัพท์เหล่านี้ช่วยให้สามารถระบุระบบเลเซอร์และส่วนประกอบต่างๆ ได้อย่างเหมาะสมเพื่อให้ตรงตามข้อกำหนดในการใช้งาน

พารามิเตอร์พื้นฐาน

พารามิเตอร์พื้นฐานต่อไปนี้เป็นแนวคิดพื้นฐานที่สุดของระบบเลเซอร์ และจำเป็นต่อการทำความเข้าใจประเด็นขั้นสูงยิ่งขึ้น

1: ความยาวคลื่น (หน่วยทั่วไป: nm ถึง µm)

ความยาวคลื่นของเลเซอร์อธิบายความถี่เชิงพื้นที่ของคลื่นแสงที่ปล่อยออกมา ความยาวคลื่นที่เหมาะสมที่สุดสำหรับกรณีการใช้งานที่กำหนดจะขึ้นอยู่กับการใช้งานเป็นอย่างมาก ในการแปรรูปวัสดุ วัสดุที่แตกต่างกันจะมีคุณสมบัติการดูดกลืนแสงที่ขึ้นกับความยาวคลื่นที่เป็นเอกลักษณ์ ซึ่งส่งผลให้มีปฏิสัมพันธ์กับวัสดุที่แตกต่างกัน ในทำนองเดียวกัน ในการสำรวจระยะไกล การดูดซับบรรยากาศและการรบกวนอาจส่งผลต่อความยาวคลื่นบางอย่างแตกต่างกัน และในการใช้งานเลเซอร์ทางการแพทย์ สารเชิงซ้อนต่างๆ สามารถดูดซับความยาวคลื่นบางอย่างแตกต่างกัน เลเซอร์ความยาวคลื่นที่สั้นกว่าและเลเซอร์ออปติกช่วยสร้างคุณสมบัติที่มีขนาดเล็กและแม่นยำ โดยมีการให้ความร้อนบริเวณรอบข้างน้อยที่สุด เนื่องจากจุดโฟกัสมีขนาดเล็กลง อย่างไรก็ตาม โดยทั่วไปแล้วจะมีราคาแพงกว่าและเสียหายได้ง่ายกว่าเลเซอร์ความยาวคลื่นที่ยาวกว่า

2: กำลังและพลังงาน (หน่วยทั่วไป: W หรือ J)

กำลังของเลเซอร์วัดเป็นวัตต์ (W) และใช้เพื่ออธิบายกำลังแสงที่ส่งออกจากเลเซอร์คลื่นต่อเนื่อง (CW) หรือกำลังเฉลี่ยของเลเซอร์พัลซิ่ง นอกจากนี้ เลเซอร์แบบพัลซ์ยังมีลักษณะเฉพาะด้วยพลังงานพัลส์ ซึ่งเป็นสัดส่วนกับกำลังเฉลี่ยและแปรผกผันกับอัตราการเกิดซ้ำของเลเซอร์ (รูปที่ 2) พลังงานมีหน่วยวัดเป็นจูล (J)

เลเซอร์พลังงานและพลังงานที่สูงกว่ามักจะมีราคาแพงกว่าและก่อให้เกิดความร้อนเหลือทิ้งมากกว่า การรักษาคุณภาพไฟสูงจะยากขึ้นด้วยการเพิ่มกำลังและพลังงาน

3: ระยะเวลาพัลส์ (หน่วยทั่วไป: fs ถึง ms)

ระยะเวลาของพัลส์เลเซอร์หรือความกว้างของพัลส์มักจะถูกกำหนดให้เป็นความกว้างเต็มที่ครึ่งหนึ่งสูงสุด (FWHM) ของกำลังแสงเลเซอร์เทียบกับเวลา (รูปที่ 3) เลเซอร์ที่เร็วมากมีข้อดีหลายประการในการใช้งานที่หลากหลาย รวมถึงการประมวลผลวัสดุที่มีความแม่นยำและเลเซอร์ทางการแพทย์ และมีคุณลักษณะเฉพาะคือระยะเวลาพัลส์สั้นประมาณพิโควินาที (10-12 วินาที) ถึงอัตโตวินาที (10-18 วินาที)

4: อัตราการทำซ้ำ (หน่วยทั่วไป: Hz ถึง MHz)

อัตราการทำซ้ำหรือความถี่การทำซ้ำของพัลส์ของพัลส์เลเซอร์จะอธิบายจำนวนพัลส์ที่ปล่อยออกมาต่อวินาทีหรือช่วงเวลาพัลส์เวลาย้อนกลับ (รูปที่ 3) ตามที่กล่าวไว้ข้างต้น อัตราการทำซ้ำจะแปรผกผันกับพลังงานพัลส์และเป็นสัดส่วนโดยตรงกับกำลังเฉลี่ย แม้ว่าอัตราการเกิดซ้ำมักจะขึ้นอยู่กับตัวกลางที่ได้รับของเลเซอร์ แต่ก็อาจแตกต่างกันไปในหลายกรณี อัตราการทำซ้ำที่สูงขึ้นส่งผลให้เวลาคลายตัวด้วยความร้อนที่พื้นผิวแสงของเลเซอร์และที่โฟกัสสุดท้ายสั้นลง ส่งผลให้วัสดุทำความร้อนได้เร็วขึ้น

5: ความยาวการเชื่อมโยงกัน (หน่วยทั่วไป: มิลลิเมตรถึงเมตร)

เลเซอร์มีความสอดคล้องกัน ซึ่งหมายความว่ามีความสัมพันธ์คงที่ระหว่างค่าเฟสของสนามไฟฟ้าในเวลาหรือสถานที่ต่างกัน เนื่องจากไม่เหมือนกับแหล่งกำเนิดแสงประเภทอื่นๆ ส่วนใหญ่ เลเซอร์เกิดจากการปล่อยแสงแบบตื่นเต้น การเชื่อมโยงกันลดลงตลอดกระบวนการส่งผ่าน และความยาวของการเชื่อมโยงกันของเลเซอร์จะกำหนดระยะทางที่การเชื่อมโยงกันของเลเซอร์จะคงอยู่ที่คุณภาพที่แน่นอน

6: โพลาไรซ์

โพลาไรเซชันกำหนดทิศทางของสนามไฟฟ้าของคลื่นแสงซึ่งจะตั้งฉากกับทิศทางการแพร่กระจายเสมอ ในกรณีส่วนใหญ่ เลเซอร์จะมีโพลาไรซ์เชิงเส้น ซึ่งหมายความว่าสนามไฟฟ้าที่ปล่อยออกมาจะชี้ไปในทิศทางเดียวกันเสมอ แสงที่ไม่มีโพลาไรซ์จะมีสนามไฟฟ้าที่ชี้ไปในทิศทางต่างๆ มากมาย โพลาไรซ์มักแสดงเป็นอัตราส่วนของความยาวโฟกัสของแสงในสถานะโพลาไรซ์แบบตั้งฉากสองสถานะ เช่น 100:1 หรือ 500:1

พารามิเตอร์ลำแสง

พารามิเตอร์ต่อไปนี้แสดงลักษณะรูปร่างและคุณภาพของลำแสงเลเซอร์

7: เส้นผ่านศูนย์กลางลำแสง (หน่วยทั่วไป: มม. ถึงซม.)

เส้นผ่านศูนย์กลางลำแสงของเลเซอร์บ่งบอกถึงส่วนขยายด้านข้างของลำแสง หรือมิติทางกายภาพที่ตั้งฉากกับทิศทางของการแพร่กระจาย โดยปกติจะกำหนดเป็นความกว้าง 1/e2 กล่าวคือ ความกว้างที่ได้จากความเข้มของลำแสงที่ 1/e2 (ประมาณ 13.5%) ที่จุด 1/e2 ความแรงของสนามไฟฟ้าจะลดลงเหลือ 1/e (ประมาณ 37%) ยิ่งเส้นผ่านศูนย์กลางลำแสงมีขนาดใหญ่เท่าใด เลนส์และระบบทั้งหมดก็ต้องมีขนาดใหญ่ขึ้นเท่านั้น เพื่อหลีกเลี่ยงการตัดลำแสง ซึ่งส่งผลให้ต้นทุนเพิ่มขึ้น อย่างไรก็ตาม การลดขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางลำแสงจะเพิ่มความหนาแน่นของกำลัง/พลังงาน ซึ่งก็ส่งผลเสียเช่นกัน

8: กำลังหรือความหนาแน่นของพลังงาน (หน่วยทั่วไป: W/cm2 ถึง MW/cm2 หรือ µJ/cm2 ถึง J/cm2)

เส้นผ่านศูนย์กลางลำแสงเกี่ยวข้องกับความหนาแน่นของพลังงาน/พลังงานของลำแสงเลเซอร์หรือพลังงานแสง/พลังงานต่อหน่วยพื้นที่ ยิ่งเส้นผ่านศูนย์กลางลำแสงมีขนาดใหญ่เท่าใด กำลัง/ความหนาแน่นของพลังงานของกำลังคงที่หรือลำแสงพลังงานคงที่ก็จะยิ่งน้อยลงเท่านั้น ที่เอาท์พุตสุดท้ายของระบบ (เช่น ในการตัดด้วยเลเซอร์หรือการเชื่อม) โดยทั่วไปจำเป็นต้องใช้พลังงาน/ความหนาแน่นของพลังงานสูง แต่ภายในระบบ ความเข้มข้นของพลังงาน/พลังงานต่ำมักจะเป็นประโยชน์ในการป้องกันความเสียหายที่เกิดจากเลเซอร์ นอกจากนี้ยังป้องกันไอออไนเซชันของอากาศในบริเวณพลังงานสูง/ความหนาแน่นของพลังงานของลำแสงอีกด้วย ด้วยเหตุผลเหล่านี้ เครื่องขยายลำแสงเลเซอร์จึงมักใช้เพื่อเพิ่มเส้นผ่านศูนย์กลางและลดความหนาแน่นของพลังงาน/พลังงานภายในระบบเลเซอร์ อย่างไรก็ตาม จะต้องระมัดระวังไม่ให้ลำแสงขยายใหญ่จนลำแสงถูกบดบังจากรูรับแสงของระบบ ส่งผลให้สูญเสียพลังงานและความเสียหายที่อาจเกิดขึ้น

9: โปรไฟล์บีม

โปรไฟล์ลำแสงของเลเซอร์อธิบายความเข้มแบบกระจายในหน้าตัดขวางของลำแสง โปรไฟล์ลำแสงทั่วไป ได้แก่ คานเกาส์เซียนและคานบนแบน ซึ่งเป็นไปตามฟังก์ชันเกาส์เซียนและคานบนแบน ตามลำดับ (รูปที่ 4) อย่างไรก็ตาม เนื่องจากมีจุดร้อนหรือความผันผวนภายในเลเซอร์อยู่จำนวนหนึ่งเสมอ ไม่มีเลเซอร์ใดที่สามารถผลิตลำแสงแบบเกาส์เซียนแบบเต็มหรือลำแสงแบบแบนราบเต็มที่ซึ่งสอดคล้องกับฟังก์ชันลักษณะเฉพาะของมันทุกประการ ความแตกต่างระหว่างโปรไฟล์ลำแสงจริงของเลเซอร์และโปรไฟล์ลำแสงในอุดมคติมักจะอธิบายโดยหน่วยเมตริกที่มีแฟกเตอร์ M2 ของเลเซอร์

10: ความแตกต่าง (หน่วยทั่วไป: mrad)

แม้ว่าโดยทั่วไปแล้วลำแสงเลเซอร์จะถือว่าอยู่ในแนวเดียวกัน แต่ก็มักจะมีการเบี่ยงเบนจำนวนหนึ่งอยู่เสมอ ซึ่งอธิบายขอบเขตที่ลำแสงจะแยกออกจากกันในระยะห่างที่เพิ่มขึ้นจากเอวของลำแสงเลเซอร์เนื่องจากการเลี้ยวเบน ในการใช้งานที่มีระยะการทำงานที่ยาวนาน เช่น ระบบ LIDAR ซึ่งวัตถุอาจอยู่ห่างจากระบบเลเซอร์หลายร้อยเมตร ความแตกต่างกลายเป็นปัญหาที่สำคัญอย่างยิ่ง ความแตกต่างของลำแสงมักจะถูกกำหนดในรูปของมุมครึ่งหนึ่งของเลเซอร์ และความเบี่ยงเบน (θ) ของลำแสงแบบเกาส์เซียนถูกกำหนดเป็น

แลมบ์คือความยาวคลื่นของเลเซอร์ และ w0 คือเอวลำแสงของเลเซอร์

พารามิเตอร์ระบบขั้นสุดท้าย

พารามิเตอร์สุดท้ายเหล่านี้อธิบายประสิทธิภาพของระบบเลเซอร์ที่เอาท์พุต

11: ขนาดสปอต (หน่วยทั่วไป: µm)

ขนาดลำแสงเลเซอร์โฟกัสจะอธิบายเส้นผ่านศูนย์กลางลำแสงที่จุดโฟกัสของระบบเลนส์โฟกัส ในการใช้งานหลายอย่าง เช่น การแปรรูปวัสดุและการผ่าตัดทางการแพทย์ เป้าหมายคือการลดขนาดจุดให้เหลือน้อยที่สุด สิ่งนี้จะเพิ่มความหนาแน่นของพลังงานสูงสุดและช่วยให้สามารถสร้างคุณสมบัติที่ยอดเยี่ยมเป็นพิเศษ (รูปที่ 5) เลนส์แก้ความคลาดทรงกลมมักใช้แทนเลนส์แก้ความคลาดทรงกลมทั่วไป เพื่อลดความคลาดเคลื่อนของทรงกลมให้เหลือน้อยที่สุด และสร้างจุดโฟกัสที่เล็กลง ระบบเลเซอร์บางประเภทไม่ได้โฟกัสเลเซอร์ไปที่จุดในที่สุด ซึ่งในกรณีนี้พารามิเตอร์นี้จะใช้ไม่ได้

12: ระยะการทำงาน (หน่วยทั่วไป: µm ถึง m)

โดยทั่วไประยะการทำงานของระบบเลเซอร์ถูกกำหนดให้เป็นระยะทางทางกายภาพจากองค์ประกอบแสงขั้นสุดท้าย (โดยปกติคือเลนส์โฟกัส) ไปยังวัตถุหรือพื้นผิวที่เลเซอร์โฟกัสอยู่ การใช้งานบางอย่าง เช่น เลเซอร์ทางการแพทย์ มักจะพยายามลดระยะห่างในการทำงานให้เหลือน้อยที่สุด ในขณะที่การใช้งานอื่นๆ เช่น การสำรวจระยะไกล มักจะมุ่งเป้าไปที่การเพิ่มช่วงระยะการทำงานให้สูงสุด