קיים מגוון רחב של מערכות לייזר לשימוש כללי עבור יישומים שונים כגון עיבוד חומרים, ניתוחי לייזר וחישה מרחוק, אך מערכות לייזר רבות חולקות פרמטרים מרכזיים משותפים. קביעת טרמינולוגיה משותפת לפרמטרים אלו מונעת אי הבנות, והבנתם מאפשרת מפרט נכון של מערכות לייזר ורכיבים כדי לעמוד בדרישות היישום.
פרמטרים בסיסיים
הפרמטרים הבסיסיים הבאים הם המושגים הבסיסיים ביותר של מערכת לייזר וחיוניים להבנת הנקודות המתקדמות יותר.
1: אורך גל (יחידות טיפוסיות: ננומטר עד מיקרומטר)
אורך הגל של לייזר מתאר את התדר המרחבי של גל האור הנפלט. אורך הגל האופטימלי עבור מקרה שימוש נתון תלוי מאוד באפליקציה. בעיבוד חומרים, לחומרים שונים יש תכונות ספיגה ייחודיות תלויות אורך גל המביאות לאינטראקציות שונות עם החומר. באופן דומה, בחישה מרחוק, ספיגה והפרעות אטמוספריות יכולות להשפיע באופן שונה על אורכי גל מסוימים, וביישומי לייזר רפואיים, קומפלקסים שונים יכולים לספוג אורכי גל מסוימים בצורה שונה. לייזרים באורך גל קצר יותר ואופטיקה לייזר עוזרים ליצור תכונות קטנות ומדויקות עם חימום היקפי מינימלי מכיוון שנקודת המוקד קטנה יותר. עם זאת, הם בדרך כלל יקרים יותר וניזוקים בקלות רבה יותר מאשר לייזרים באורך גל ארוך יותר.
2: כוח ואנרגיה (יחידות טיפוסיות: W או J)
הספק של לייזר נמדד בוואט (W) ומשמש לתיאור תפוקת ההספק האופטי מלייזר גל מתמשך (CW) או את ההספק הממוצע של לייזר דופק. לייזרים פולסים מאופיינים גם באנרגיית הדופק שלהם, שהיא פרופורציונלית להספק הממוצע ובפרופורציה הפוך לקצב החזרות של הלייזר (איור 2). האנרגיה נמדדת בג'אול (J).
לייזרים בעלי הספק ואנרגיה גבוהים יותר הם בדרך כלל יקרים יותר והם מייצרים יותר פסולת חום. שמירה על איכות אלומה גבוהה הופכת גם לקשה יותר עם הגדלת הכוח והאנרגיה.
3: משך דופק (יחידות טיפוסיות: fs עד ms)
משך דופק הלייזר או רוחב הדופק מוגדרים בדרך כלל כרוחב המלא בחצי המקסימום (FWHM) של הספק אור הלייזר לעומת זמן (איור 3). לייזרים מהירים במיוחד מציעים יתרונות רבים במגוון יישומים, כולל עיבוד חומרים מדויקים ולייזרים רפואיים, והם מאופיינים במשכי דופק קצרים של בערך פיקו-שניות (10-12 שניות) עד לאטו-שניות (10-18 שניות).
4: קצב חזרות (יחידות טיפוסיות: הרץ עד מגה-הרץ)
קצב החזרות או תדירות החזרה על הדופק של לייזר דופק מתאר את מספר הפולסים הנפלטים בשנייה או את מרווח פעימות הזמן ההפוך (איור 3). כפי שהוזכר קודם לכן, קצב החזרות עומד ביחס הפוך לאנרגיית הדופק וביחס ישר להספק הממוצע. בעוד שקצב החזרות תלוי בדרך כלל במדיום הרווח בלייזר, הוא יכול להשתנות במקרים רבים. שיעורי חזרות גבוהים יותר מביאים לזמני הרפיה תרמית קצרים יותר במשטח האופטי של הלייזר ובמיקוד הסופי, מה שמוביל לחימום חומר מהיר יותר.
5: אורך קוהרנטיות (יחידות טיפוסיות: מילימטרים עד מטרים)
הלייזרים הם קוהרנטיים, כלומר קיים קשר קבוע בין ערכי הפאזה של השדה החשמלי בזמנים או במקומות שונים. הסיבה לכך היא שבניגוד לרוב סוגי מקורות האור האחרים, לייזרים מיוצרים על ידי פליטה נרגשת. הקוהרנטיות פוחתת לאורך תהליך השידור, ואורך הקוהרנטיות של הלייזר קובע את המרחק בו נשארת הקוהרנטיות הזמנית של הלייזר באיכות מסוימת.
6: קיטוב
הקיטוב קובע את כיוון השדה החשמלי של גל אור, שהוא תמיד מאונך לכיוון ההתפשטות. ברוב המקרים, הלייזר יהיה מקוטב ליניארי, כלומר השדה החשמלי הנפלט תמיד מצביע לאותו כיוון. לאור לא מקוטב יהיה שדה חשמלי שמצביע לכיוונים רבים ושונים. קיטוב מתבטא בדרך כלל כיחס בין אורכי המוקד של האור בשני מצבים מקוטבים אורתוגונלית, למשל 100:1 או 500:1.
פרמטרים של קרן
הפרמטרים הבאים מאפיינים את הצורה והאיכות של קרן לייזר.
7: קוטר הקורה (יחידות טיפוסיות: מ"מ עד ס"מ)
קוטר הקרן של לייזר מאפיין את ההרחבה הצידית של הקרן, או את הממד הפיזי בניצב לכיוון ההתפשטות. בדרך כלל הוא מוגדר כרוחב 1/e2, כלומר הרוחב שהושג על ידי עוצמת האלומה ב-1/e2 (≈13.5%). בנקודת 1/e2, עוצמת השדה החשמלי יורדת ל-1/e (≈37%). ככל שקוטר האלומה גדול יותר, כך האופטיקה והמערכת כולה צריכה להיות גדולה יותר על מנת למנוע קיצוץ אלומה, מה שמייקר את העלות. עם זאת, ירידה בקוטר האלומה מגדילה את צפיפות ההספק/אנרגיה, מה שגם מזיק.
8: כוח או צפיפות אנרגיה (יחידות טיפוסיות: W/cm2 עד MW/cm2 או µJ/cm2 עד J/cm2)
קוטר הקרן מתייחס לצפיפות ההספק/אנרגיה של קרן הלייזר או להספק/אנרגיה האופטית ליחידת שטח. ככל שקוטר האלומה גדול יותר, כך צפיפות ההספק/אנרגיה של ההספק הקבוע או אלומת האנרגיה הקבועה נמוכה יותר. בתפוקה הסופית של המערכת (למשל, בחיתוך לייזר או ריתוך), נדרשת בדרך כלל צפיפות הספק/אנרגיה גבוהה, אך בתוך המערכת, ריכוז הספק/אנרגיה נמוך מועיל בדרך כלל במניעת נזקים שנגרמו באמצעות לייזר. זה גם מונע יינון אוויר באזור צפיפות הספק/אנרגיה גבוהה של האלומה. מסיבות אלו, בין היתר, משתמשים לרוב במרחיבי קרן לייזר להגדלת הקוטר ובכך להפחית את צפיפות ההספק/אנרגיה בתוך מערכת הלייזר. עם זאת, יש להקפיד שלא להרחיב את האלומה כל כך גדולה עד שהקרן תסתיר מהפתח של המערכת, מה שגורם לבזבוז אנרגיה ולנזק אפשרי.
9: פרופיל קרן
פרופיל הקרן של לייזר מתאר את העוצמה המפוזרת בחתך הקרן. פרופילי אלומה נפוצים כוללים קורות גאוסיות וקורות שטוחות, העוקבות אחר פונקציות גאוס וחלק עליון שטוח, בהתאמה (איור 4). עם זאת, מכיוון שתמיד יש מספר מסוים של נקודות חמות או תנודות בתוך הלייזר, אף לייזר לא יכול לייצר קרן גאוסית מלאה או שטוחה לחלוטין התואמת בדיוק את הפונקציה העצמית שלה. ההבדל בין פרופיל הקרן בפועל של לייזר לפרופיל הקרן האידיאלי מתואר בדרך כלל על ידי מדד המכיל את גורם M2 של הלייזר.
10: סטייה (יחידה טיפוסית: mrad)
למרות שקרני לייזר נחשבות בדרך כלל כקולימציות, הן תמיד מכילות כמות מסוימת של סטייה, המתארת את המידה שבה הקרן מתפצלת במרחקים הולכים וגדלים מהמותניים של קרן הלייזר עקב עקיפה. ביישומים עם מרחקי פעולה ארוכים, כמו מערכות LIDAR, שבהן אובייקטים עשויים להיות מאות מטרים ממערכת הלייזר, ההיפרדות הופכת לנושא חשוב במיוחד. סטיית קרן מוגדרת בדרך כלל במונחים של חצי הזווית של הלייזר, והדיברגנציה (θ) של קרן גאוס מוגדרת כ.
λ הוא אורך הגל של הלייזר ו-w0 הוא מותני הקרן של הלייזר.
פרמטרי מערכת סופיים
פרמטרים אחרונים אלה מתארים את הביצועים של מערכת הלייזר בפלט.
11: גודל נקודה (יחידה טיפוסית: מיקרומטר)
גודל הנקודה של קרן לייזר ממוקדת מתאר את קוטר הקרן בנקודת המוקד של מערכת עדשות המיקוד. ביישומים רבים, כמו עיבוד חומרים וניתוחים רפואיים, המטרה היא למזער את גודל הנקודה. זה ממקסם את צפיפות ההספק ומאפשר יצירת תכונות עדינות במיוחד (איור 5). עדשות אספריות משמשות לעתים קרובות במקום עדשות כדוריות קונבנציונליות כדי למזער סטייה כדורית ולייצר גדלי נקודות מוקד קטנים יותר. סוגים מסוימים של מערכות לייזר אינן ממקדות בסופו של דבר את הלייזר למקום, ובמקרה זה פרמטר זה אינו ישים.
12: מרחק עבודה (יחידה טיפוסית: מיקרומטר עד מ')
מרחק העבודה של מערכת לייזר מוגדר בדרך כלל כמרחק הפיזי מהאלמנט האופטי הסופי (בדרך כלל עדשת מיקוד) לאובייקט או למשטח עליו מתמקד הלייזר. יישומים מסוימים, כגון לייזרים רפואיים, מבקשים לעתים קרובות למזער את מרחק העבודה, בעוד שיישומים אחרים, כגון חישה מרחוק, שואפים לעתים קרובות למקסם את טווח מרחק העבודה שלהם.
