هناك مجموعة واسعة من أنظمة الليزر الشائعة المستخدمة في مجموعة متنوعة من التطبيقات مثل معالجة المواد والجراحة بالليزر والاستشعار عن بعد، ولكن العديد من أنظمة الليزر لها معلمات رئيسية مشتركة. إن إنشاء مصطلحات مشتركة لهذه المعلمات يمنع أخطاء الاتصال، وفهمها يسمح بتحديد نظام الليزر ومكوناته بشكل صحيح لتلبية متطلبات التطبيق.
الشكل 1: مخطط تخطيطي لنظام معالجة المواد بالليزر الشائع، حيث يتم تمثيل كل من المعلمات العشرة الرئيسية لنظام الليزر برقم مماثل
المعلمات الأساسية
المعلمات الأساسية التالية هي المفاهيم الأساسية لأنظمة الليزر، وهي أيضًا ضرورية لفهم النقاط الأكثر تقدمًا
1: الطول الموجي (الوحدات النموذجية: نانومتر إلى ميكرومتر)
يصف الطول الموجي لليزر التردد المكاني للموجة الضوئية المنبعثة. ويعتمد الطول الموجي الأمثل لحالة استخدام معينة بشكل كبير على التطبيق. ستتمتع المواد المختلفة بخصائص امتصاص فريدة تعتمد على الطول الموجي في معالجة المواد، مما يؤدي إلى تفاعلات مختلفة مع المادة. وبالمثل، سيؤثر الامتصاص والتداخل الجوي على أطوال موجية معينة بشكل مختلف في الاستشعار عن بعد، وستمتص المركبات المختلفة أطوال موجية معينة بشكل مختلف في تطبيقات الليزر الطبية. تعد أشعة الليزر ذات الطول الموجي الأقصر وبصريات الليزر مفيدة لإنشاء ميزات صغيرة ودقيقة مع الحد الأدنى من التسخين المحيطي لأن النقطة البؤرية أصغر. ومع ذلك، فهي أكثر تكلفة بشكل عام وأكثر عرضة للتلف من أشعة الليزر ذات الطول الموجي الأطول.
2: القدرة والطاقة (الوحدات النموذجية: W أو J)
تُقاس قوة الليزر بالواط (W) وتُستخدم لوصف خرج الطاقة الضوئية لليزر الموجة المستمرة (CW) أو متوسط قوة الليزر النبضي. تتميز الليزرات النبضية أيضًا بطاقة نبضاتها، والتي تتناسب طرديًا مع متوسط القوة وتتناسب عكسيًا مع معدل تكرار الليزر (الشكل 2). تُقاس الطاقة بالجول (J).
الشكل 2: تمثيل مرئي للعلاقة بين طاقة النبضة ومعدل التكرار والقوة المتوسطة لليزر النبضي
إن أجهزة الليزر ذات الطاقة العالية تكون أكثر تكلفة بشكل عام، كما أنها تولد قدرًا أكبر من الحرارة المهدرة. كما يصبح الحفاظ على جودة الشعاع العالية أكثر صعوبة مع زيادة الطاقة.
3: مدة النبضة (الوحدات النموذجية: fs إلى ms)
عادة ما يتم تعريف مدة نبضة الليزر أو عرض النبضة على أنها العرض الكامل عند نصف الحد الأقصى (FWHM) للقدرة الضوئية لليزر مقابل الوقت (الشكل 3). توفر الليزرات فائقة السرعة العديد من المزايا في مجموعة من التطبيقات بما في ذلك معالجة المواد الدقيقة والليزر الطبي. تتميز بمدة نبضة قصيرة من رتبة بيكو ثانية (10-12 ثانية) إلى أتو ثانية (10-18 وأقل من
P(W)
1/معدل التكرار
شراء حساب عام مرات
الشكل 3: يتم فصل نبضات الليزر النبضي في الوقت عن طريق معكوس معدل التكرار
4: معدل التكرار (الوحدات النموذجية: هرتز إلى ميغا هرتز)
يصف معدل التكرار أو تردد تكرار النبضة لليزر النبضي عدد النبضات المنبعثة في الثانية أو الفاصل الزمني العكسي للنبضة (الشكل 3). وكما ذكرنا سابقًا، فإن معدل التكرار يتناسب عكسيًا مع طاقة النبضة ويتناسب بشكل مباشر مع متوسط القدرة. وبينما يعتمد معدل التكرار بشكل عام على وسيط كسب الليزر، فإنه يمكن أن يختلف في كثير من الحالات. تؤدي معدلات التكرار الأعلى إلى أوقات استرخاء حراري أقصر على سطح بصريات الليزر وعند التركيز النهائي، مما يؤدي إلى تسخين أسرع للمادة.
5: طول التماسك (الوحدات النموذجية: من الملليمترات إلى الأمتار)
الليزر متماسك، مما يعني أن التيارات الكهربائية في أوقات أو مواقع مختلفة متماسكة. هناك علاقة ثابتة بين قيم طور المجال. وذلك لأن الليزر، على عكس معظم أنواع مصادر الضوء الأخرى، يتم إنتاجه عن طريق الانبعاث المحفز. يحدد طول التماسك المسافة التي يظل التماسك الزمني لضوء الليزر ثابتًا خلالها طوال انتشار ضوء الليزر، دون تدهور أثناء العملية.
6: الاستقطاب
يحدد الاستقطاب اتجاه المجال الكهربائي للموجة الضوئية، "يكون دائمًا عموديًا على اتجاه الانتشار. في معظم الحالات، يكون ضوء الليزر مستقطبًا خطيًا، مما يعني أن المجال الكهربائي المنبعث يشير دائمًا إلى نفس الاتجاه. سيكون للضوء غير المستقطب مجال كهربائي يشير إلى العديد من الاتجاهات المختلفة. عادة ما يتم التعبير عن درجة الاستقطاب كنسبة القوة الضوئية لحالتين استقطاب متعامدتين، مثل 100:1 أو 500:1.
معلمات الشعاع
المعلمات التالية تميز شكل ونوعية شعاع الليزر.
7: قطر الشعاع (الوحدات النموذجية: مم إلى سم)
يُميز قطر شعاع الليزر الامتداد الجانبي للشعاع، أو حجمه المادي العمودي على اتجاه الانتشار. وعادةً ما يتم تعريفه على أنه عرض 1/e2، وهو عرض شدة الشعاع حتى 1/e2 (=13.5%). عند نقطة 1/e2، تنخفض شدة المجال الكهربائي إلى 1/e (=37%). وكلما زاد قطر الشعاع، كلما كانت البصريات والنظام بأكمله بحاجة إلى أن تكون أكبر لتجنب اقتطاع الشعاع، مما يزيد التكلفة. ومع ذلك، فإن تقليل قطر الشعاع يزيد من كثافة القدرة/الطاقة، وهو ما قد يكون ضارًا أيضًا.
8: كثافة القدرة أو الطاقة (الوحدات النموذجية: واط/سم2 إلى ميجا وات/سم2 أو ميكروجول/سم2 إلى جول/سم2)
يرتبط قطر الشعاع بكثافة الطاقة/القوة لشعاع الليزر. كثافة الطاقة، أو كمية الطاقة/القوة الضوئية لكل وحدة مساحة. كلما زاد قطر الشعاع، انخفضت كثافة الطاقة/القوة للشعاع للحصول على طاقة أو قوة ثابتة. غالبًا ما تكون كثافة الطاقة/القوة العالية مرغوبة في الناتج النهائي للنظام (على سبيل المثال في القطع بالليزر أو اللحام)، ولكن تركيزات الطاقة/الطاقة المنخفضة غالبًا ما تكون مفيدة داخل النظام لمنع الضرر الناجم عن الليزر. يمنع هذا أيضًا مناطق كثافة الطاقة/الطاقة العالية للشعاع من تأين الهواء. لهذه الأسباب، من بين أسباب أخرى، غالبًا ما تُستخدم موسعات شعاع الليزر لزيادة القطر وبالتالي تقليل كثافة الطاقة/الطاقة داخل نظام الليزر. ومع ذلك، يجب توخي الحذر حتى لا يتم توسيع الشعاع كثيرًا بحيث يتم حظره من الفتحات الموجودة في النظام، مما يؤدي إلى إهدار الطاقة والضرر المحتمل.
9: ملف تعريف الشعاع
يصف ملف تعريف شعاع الليزر الكثافة الموزعة على المقطع العرضي للشعاع. تتضمن ملفات تعريف الشعاع الشائعة الشعاع الجاوسي والشعاع المسطح، حيث تتبع ملفات تعريف الشعاع الخاصة بها الدالة الجاوسية ودالة السطح المسطح على التوالي (الشكل 4). ومع ذلك، لا يمكن لأي ليزر أن ينتج شعاعًا جاوسيًا تمامًا أو مسطحًا تمامًا بملف تعريف شعاع يطابق وظيفته المميزة تمامًا، لأنه يوجد دائمًا قدر معين من النقاط الساخنة أو التقلبات داخل الليزر. غالبًا ما يتم وصف الفرق بين ملف تعريف الشعاع الفعلي لليزر وملف تعريف الشعاع المثالي من خلال مقاييس تشمل عامل M2 لليزر
ملفات تعريف العارضة العلوية المسطحة والغاوسية
الشكل 4: مقارنة بين ملفات تعريف الشعاع لشعاع غاوسي وشعاع علوي مسطح بنفس القوة أو الكثافة المتوسطة تظهر أن شدة الذروة للشعاع الغوسي ضعف شدة الشعاع العلوي المسطح
10: التباعد (الوحدات النموذجية: مراد)
في حين أن أشعة الليزر غالبًا ما تعتبر متوازية، إلا أنها تحتوي دائمًا على قدر معين من التباعد، والذي يصف الدرجة التي يتباعد بها الشعاع عند مسافات متزايدة من محيط شعاع الليزر بسبب الانعراج. في تطبيقات مسافات العمل الطويلة، مثل أنظمة LiDAR، حيث قد تكون الأشياء على بعد مئات الأمتار من نظام الليزر، يصبح التباعد قضية مهمة بشكل خاص. غالبًا ما يتم تعريف تباعد الشعاع من خلال نصف زاوية الليزر، ويتم تعريف تباعد الشعاع الغاوسي (0) على النحو التالي:
W هو الطول الموجي لليزر وw0 هو محيط شعاع الليزر
المعلمات النهائية للنظام
تصف هذه المعلمات النهائية أداء نظام الليزر عند الإخراج
11: حجم البقعة (الوحدات النموذجية: ميكرومتر)
يصف حجم بقعة شعاع الليزر المركّز قطر الشعاع عند بؤرة نظام عدسة التركيز. في العديد من التطبيقات مثل معالجة المواد والجراحة الطبية، يكون الهدف هو تقليل حجم البقعة. وهذا يزيد من كثافة الطاقة ويسمح بإنشاء ميزات دقيقة بشكل خاص (الشكل 5). غالبًا ما تُستخدم العدسات غير الكروية بدلاً من العدسات الكروية التقليدية لتقليل الانحرافات الكروية وإنتاج أحجام بقع بؤرية أصغر. لا تقوم بعض أنواع أنظمة الليزر في النهاية بتركيز الليزر على بقعة، وفي هذه الحالة لا تنطبق هذه المعلمة.
الشكل 5: تُظهر تجارب المعالجة الدقيقة بالليزر في المعهد الإيطالي للتكنولوجيا زيادة بمقدار 10- ضعفًا في كفاءة الاستئصال في نظام حفر ليزر نانوثانية عندما يتم تقليل حجم البقعة من 220 ميكرومتر إلى 9 ميكرومتر بمعدل تدفق ثابت
12: مسافة العمل (الوحدات النموذجية: ميكرومتر إلى متر)
تُعرَّف مسافة العمل لنظام الليزر عادةً بأنها المسافة الفيزيائية من العنصر البصري النهائي (عادةً عدسة التركيز) إلى الجسم أو السطح الذي يركز عليه الليزر. تسعى بعض التطبيقات، مثل الليزر الطبي، عادةً إلى تقليل مسافة العمل، بينما تهدف تطبيقات أخرى، مثل الاستشعار عن بعد، عادةً إلى زيادة نطاق مسافة العمل الخاصة بها.
