هناك مجموعة واسعة من أنظمة الليزر للأغراض العامة لمختلف التطبيقات مثل معالجة المواد، وجراحة الليزر، والاستشعار عن بعد، ولكن العديد من أنظمة الليزر تشترك في معلمات رئيسية مشتركة. إن إنشاء مصطلحات مشتركة لهذه المعلمات يمنع سوء الفهم، كما أن فهمها يسمح بتحديد المواصفات الصحيحة لأنظمة الليزر ومكوناته لتلبية متطلبات التطبيق.
المعلمات الأساسية
تمثل المعلمات الأساسية التالية المفاهيم الأساسية لنظام الليزر وهي ضرورية لفهم النقاط الأكثر تقدمًا.
1: الطول الموجي (الوحدات النموذجية: نانومتر إلى ميكرومتر)
يصف الطول الموجي لليزر التردد المكاني لموجة الضوء المنبعثة. يعتمد الطول الموجي الأمثل لحالة استخدام معينة بشكل كبير على التطبيق. في معالجة المواد، تتمتع المواد المختلفة بخصائص امتصاص فريدة تعتمد على الطول الموجي والتي تؤدي إلى تفاعلات مختلفة مع المادة. وبالمثل، في الاستشعار عن بعد، يمكن أن يؤثر الامتصاص والتداخل الجوي على أطوال موجية معينة بشكل مختلف، وفي تطبيقات الليزر الطبية، يمكن للمجمعات المختلفة أن تمتص أطوال موجية معينة بشكل مختلف. تساعد أشعة الليزر ذات الطول الموجي الأقصر وبصريات الليزر على إنشاء ميزات صغيرة ودقيقة مع الحد الأدنى من التسخين المحيطي لأن النقطة البؤرية أصغر. ومع ذلك، فهي عادةً ما تكون أكثر تكلفة وأكثر سهولة في التلف من أجهزة الليزر ذات الطول الموجي الأطول.
2: الطاقة والطاقة (الوحدات النموذجية: W أو J)
يتم قياس قوة الليزر بالواط (W) وتستخدم لوصف خرج الطاقة الضوئية من ليزر الموجة المستمرة (CW) أو متوسط طاقة الليزر النبضي. تتميز أجهزة الليزر النبضية أيضًا بطاقة النبض الخاصة بها، والتي تتناسب مع متوسط الطاقة وتتناسب عكسيًا مع معدل تكرار الليزر (الشكل 2). يتم قياس الطاقة بالجول (J).
عادةً ما تكون أجهزة الليزر عالية الطاقة والطاقة أكثر تكلفة وتنتج المزيد من الحرارة المهدرة. كما يصبح الحفاظ على جودة الشعاع العالي أكثر صعوبة مع زيادة الطاقة والطاقة.
3: مدة النبض (الوحدات النموذجية: خ إلى مللي ثانية)
عادةً ما يتم تعريف مدة نبضة الليزر أو عرض النبضة على أنها العرض الكامل بنصف الحد الأقصى (FWHM) لطاقة ضوء الليزر مقابل الوقت (الشكل 3). توفر أجهزة الليزر فائقة السرعة العديد من المزايا في مجموعة من التطبيقات بما في ذلك معالجة المواد الدقيقة والليزر الطبي، وتتميز بفترات نبض قصيرة تبلغ حوالي بيكو ثانية (10-12 ثانية) إلى أتو ثانية (10-18 ثانية).
4: معدل التكرار (الوحدات النموذجية: هرتز إلى ميجا هرتز)
يصف معدل التكرار أو تردد تكرار النبضة لليزر النبضي عدد النبضات المنبعثة في الثانية أو الفاصل الزمني للنبضة العكسية (الشكل 3). وكما ذكرنا سابقاً فإن معدل التكرار يتناسب عكسياً مع طاقة النبضة ويتناسب طردياً مع متوسط القدرة. في حين أن معدل التكرار يعتمد عادة على وسيلة كسب الليزر، فإنه يمكن أن يختلف في كثير من الحالات. تؤدي معدلات التكرار الأعلى إلى أوقات استرخاء حراري أقصر على السطح البصري لليزر وعند التركيز النهائي، مما يؤدي إلى تسخين أسرع للمادة.
5: طول التماسك (الوحدات النموذجية: ملليمتر إلى متر)
أشعة الليزر متماسكة، مما يعني أن هناك علاقة ثابتة بين قيم الطور للمجال الكهربائي في أوقات أو مواقع مختلفة. وذلك لأنه، على عكس معظم أنواع مصادر الضوء الأخرى، يتم إنتاج الليزر عن طريق الانبعاث المثار. يتناقص التماسك طوال عملية الإرسال، ويحدد طول تماسك الليزر المسافة التي يبقى خلالها التماسك الزمني لليزر عند جودة معينة.
6: الاستقطاب
يحدد الاستقطاب اتجاه المجال الكهربائي لموجة الضوء، والذي يكون دائمًا متعامدًا مع اتجاه الانتشار. في معظم الحالات، يكون الليزر مستقطبًا خطيًا، مما يعني أن المجال الكهربائي المنبعث يشير دائمًا إلى نفس الاتجاه. سيكون للضوء غير المستقطب مجالًا كهربائيًا يشير إلى عدة اتجاهات مختلفة. يتم التعبير عن الاستقطاب عادةً كنسبة الأطوال البؤرية للضوء في حالتين مستقطبتين متعامدتين، على سبيل المثال 100:1 أو 500:1.
معلمات الشعاع
المعلمات التالية تميز شكل وجودة شعاع الليزر.
7: قطر الشعاع (الوحدات النموذجية: مم إلى سم)
يميز قطر شعاع الليزر الامتداد الجانبي للحزمة، أو البعد المادي المتعامد مع اتجاه الانتشار. يتم تعريفه عادةً على أنه العرض 1/e2، أي العرض الذي تحققه كثافة الحزمة عند 1/e2 (≈13.5%). عند النقطة 1/e2، تنخفض شدة المجال الكهربائي إلى 1/e (≈37%). كلما زاد قطر الشعاع، كلما زاد حجم البصريات والنظام بأكمله لتجنب انقطاع الشعاع، مما يزيد من التكلفة. ومع ذلك، فإن انخفاض قطر الشعاع يزيد من كثافة القدرة/الطاقة، وهو أمر ضار أيضًا.
8: الطاقة أو كثافة الطاقة (الوحدات النموذجية: W/cm2 إلى MW/cm2 أو μJ/cm2 إلى J/cm2)
يرتبط قطر الشعاع بقوة/كثافة الطاقة لشعاع الليزر أو الطاقة/الطاقة الضوئية لكل وحدة مساحة. كلما زاد قطر الشعاع، انخفضت كثافة الطاقة/الطاقة للطاقة الثابتة أو شعاع الطاقة الثابت. عند الإخراج النهائي للنظام (على سبيل المثال، في القطع أو اللحام بالليزر)، تكون هناك حاجة عادةً إلى كثافة طاقة/طاقة عالية، ولكن داخل النظام، عادةً ما يكون تركيز الطاقة/الطاقة المنخفض مفيدًا في منع الضرر الناجم عن الليزر. وهذا يمنع أيضًا تأين الهواء في منطقة كثافة الطاقة/الطاقة العالية للشعاع. لهذه الأسباب، من بين أسباب أخرى، غالبًا ما يتم استخدام موسعات شعاع الليزر لزيادة القطر وبالتالي تقليل كثافة الطاقة/الطاقة داخل نظام الليزر. ومع ذلك، يجب الحرص على عدم تمديد الشعاع بشكل كبير بحيث يتم حجب الشعاع من فتحة النظام، مما يؤدي إلى إهدار الطاقة والضرر المحتمل.
9: ملف الشعاع
يصف ملف تعريف شعاع الليزر الكثافة الموزعة في المقطع العرضي للحزمة. تشتمل ملفات الشعاع الشائعة على عوارض غاوسية وعوارض مسطحة، والتي تتبع وظائف غاوسية وعوارض مسطحة، على التوالي (الشكل 4). ومع ذلك، نظرًا لوجود عدد معين من النقاط الساخنة أو التقلبات داخل الليزر، فلا يمكن لأي ليزر إنتاج شعاع غاوسي بالكامل أو شعاع مسطح تمامًا يتوافق تمامًا مع وظيفته الذاتية. عادةً ما يتم وصف الفرق بين ملف تعريف الشعاع الفعلي لليزر وملف تعريف الشعاع المثالي بواسطة مقياس يحتوي على عامل M2 لليزر.
10: التباعد (الوحدة النموذجية: مراد)
على الرغم من أن أشعة الليزر تعتبر بشكل عام موازية، إلا أنها تحتوي دائمًا على قدر معين من التباعد، وهو ما يصف مدى انحراف الشعاع عند مسافات متزايدة من وسط شعاع الليزر بسبب الحيود. في التطبيقات ذات مسافات التشغيل الطويلة، مثل أنظمة LIDAR، حيث قد تكون الأجسام على بعد مئات الأمتار من نظام الليزر، يصبح الاختلاف مشكلة ذات أهمية خاصة. عادة ما يتم تعريف تباعد الشعاع من حيث نصف زاوية الليزر، ويتم تعريف التباعد (θ) لشعاع غاوسي على أنه.
α هو الطول الموجي لليزر وw0 هو وسط شعاع الليزر.
معلمات النظام النهائية
تصف هذه المعلمات النهائية أداء نظام الليزر عند الإخراج.
11: حجم البقعة (الوحدة النموذجية: ميكرومتر)
يصف الحجم الموضعي لشعاع الليزر المركز قطر الشعاع عند النقطة المحورية لنظام عدسة التركيز. في العديد من التطبيقات، مثل معالجة المواد والجراحة الطبية، يكون الهدف هو تقليل حجم البقعة. يؤدي هذا إلى زيادة كثافة الطاقة إلى الحد الأقصى ويسمح بإنشاء ميزات رائعة بشكل استثنائي (الشكل 5). غالبًا ما تُستخدم العدسات شبه الكروية بدلاً من العدسات الكروية التقليدية لتقليل الانحراف الكروي وإنتاج أحجام بؤرية أصغر. لا تقوم بعض أنواع أنظمة الليزر في النهاية بتركيز الليزر على البقعة، وفي هذه الحالة لا تنطبق هذه المعلمة.
12: مسافة العمل (الوحدة النموذجية: ميكرومتر إلى متر)
يتم تعريف مسافة العمل لنظام الليزر عمومًا على أنها المسافة المادية من العنصر البصري النهائي (عادةً عدسة التركيز) إلى الجسم أو السطح الذي يتم تركيز الليزر عليه. تسعى بعض التطبيقات، مثل الليزر الطبي، غالبًا إلى تقليل مسافة العمل، بينما تهدف التطبيقات الأخرى، مثل الاستشعار عن بعد، غالبًا إلى زيادة نطاق مسافة العمل إلى أقصى حد.
