Es gibt eine breite Palette gängiger Lasersysteme für eine Vielzahl von Anwendungen, darunter Materialbearbeitung, Laserchirurgie und Fernerkundung, aber viele Lasersysteme haben gemeinsame Schlüsselparameter. Die Etablierung einer gemeinsamen Terminologie für diese Parameter verhindert Missverständnisse und ihr Verständnis ermöglicht die ordnungsgemäße Spezifikation von Lasersystemen und -komponenten zur Erfüllung der Anwendungsanforderungen.
Abbildung 1: Schematische Darstellung eines gängigen Lasermaterialbearbeitungssystems, wobei jeder der 10 Schlüsselparameter eines Lasersystems durch eine entsprechende Zahl dargestellt wird
Grundparameter
Die folgenden Grundparameter stellen die grundlegendsten Konzepte eines Lasersystems dar und sind für das Verständnis der fortgeschritteneren Punkte von wesentlicher Bedeutung.
1: Wellenlänge (typische Einheiten: nm bis µm)
Die Wellenlänge eines Lasers beschreibt die Ortsfrequenz der emittierten Lichtwelle. Die optimale Wellenlänge für einen bestimmten Anwendungsfall hängt stark von der Anwendung ab. Unterschiedliche Materialien weisen bei der Materialverarbeitung einzigartige wellenlängenabhängige Absorptionseigenschaften auf, was zu unterschiedlichen Wechselwirkungen mit dem Material führt. Ebenso wirken sich atmosphärische Absorption und Interferenz auf bestimmte Wellenlängen in der Fernerkundung unterschiedlich aus, und verschiedene Komplexe absorbieren bestimmte Wellenlängen in medizinischen Laseranwendungen unterschiedlich. Laser und Laseroptiken mit kürzerer Wellenlänge erleichtern die Erstellung kleiner, präziser Merkmale mit minimaler peripherer Erwärmung, da der Brennfleck kleiner ist. Sie sind jedoch in der Regel teurer und können leichter beschädigt werden als Laser mit längerer Wellenlänge.
2: Leistung und Energie (typische Einheiten: W oder J)
Die Leistung eines Lasers wird in Watt (W) gemessen und dient zur Charakterisierung der optischen Ausgangsleistung eines Dauerstrichlasers (CW) oder der durchschnittlichen Leistung eines gepulsten Lasers. Gepulste Laser zeichnen sich außerdem durch ihre Pulsenergie aus, die proportional zur Durchschnittsleistung und umgekehrt proportional zur Wiederholrate des Lasers ist (Abbildung 2). Energie wird in Joule (J) gemessen.
Abbildung 2: Visuelle Darstellung des Zusammenhangs zwischen Pulsenergie, Wiederholungsrate und durchschnittlicher Leistung eines gepulsten Lasers
Laser mit höherer Leistung und Energie sind in der Regel teurer und erzeugen mehr Abwärme. Mit zunehmender Leistung und Energie wird es auch schwieriger, eine hohe Strahlqualität aufrechtzuerhalten.
3: Impulsdauer (typische Einheiten: fs bis ms)
Die Laserpulsdauer oder -breite wird normalerweise als die Halbwertsbreite (FWHM) der Laserlichtleistung im Verhältnis zur Zeit definiert (Abbildung 3). Ultraschnelle Laser bieten viele Vorteile in einer Reihe von Anwendungen, einschließlich der Präzisionsmaterialbearbeitung und medizinischen Lasern, und zeichnen sich durch kurze Pulsdauern von etwa Pikosekunden (10-12 Sekunden) bis Attosekunden (10-18 Sekunden) aus.
Abbildung 3: Gepulste Laserpulse, zeitlich getrennt durch den Kehrwert der Wiederholungsrate
4: Wiederholungsrate (typische Einheiten: Hz bis MHz)
Die Wiederholungsrate oder Pulswiederholungsfrequenz eines gepulsten Lasers beschreibt die Anzahl der pro Sekunde emittierten Pulse bzw. das inverse Zeitpulsintervall (Abbildung 3). Wie bereits erwähnt, ist die Wiederholungsrate umgekehrt proportional zur Pulsenergie und direkt proportional zur Durchschnittsleistung. Während die Wiederholungsrate normalerweise vom Laserverstärkungsmedium abhängt, kann sie in vielen Fällen variieren. Höhere Wiederholungsraten führen zu kürzeren thermischen Relaxationszeiten an der Oberfläche der Laseroptik und am endgültigen Fokuspunkt, was zu einer schnelleren Materialerwärmung führt.
5: Kohärenzlänge (typische Einheiten: Millimeter bis Meter)
Laser sind kohärent, das heißt, es besteht ein fester Zusammenhang zwischen den Phasenwerten des elektrischen Feldes zu unterschiedlichen Zeiten oder Orten. Dies liegt daran, dass Laser im Gegensatz zu den meisten anderen Arten von Lichtquellen durch angeregte Emission erzeugt werden. Die Kohärenz nimmt während des Ausbreitungsprozesses ab, und die Kohärenzlänge eines Lasers definiert eine Entfernung, über die die zeitliche Kohärenz des Lasers auf einer bestimmten Qualität aufrechterhalten wird.
6: Polarisation
Die Polarisation definiert die Richtung des elektrischen Feldes einer Lichtwelle, die immer senkrecht zur Ausbreitungsrichtung verläuft. In den meisten Fällen wird der Laser linear polarisiert sein, was bedeutet, dass das emittierte elektrische Feld immer in die gleiche Richtung zeigt. Unpolarisiertes Licht hat ein elektrisches Feld, das in viele verschiedene Richtungen zeigt. Der Polarisationsgrad wird üblicherweise als Verhältnis der Brennweiten des Lichts in zwei orthogonal polarisierten Zuständen ausgedrückt, z. B. 100:1 oder 500:1.
Strahlparameter
Die folgenden Parameter charakterisieren die Form und Qualität eines Laserstrahls.
7: Strahldurchmesser (typische Einheiten: mm bis cm)
Der Strahldurchmesser eines Lasers charakterisiert die seitliche Ausdehnung des Strahls bzw. seine physikalische Abmessung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Sie wird üblicherweise als 1/e2-Breite definiert, die durch die Strahlintensität bei 1/e2 (≈ 13,5 %) erreicht wird. Am 1/e2-Punkt sinkt die elektrische Feldstärke auf 1/e (≈ 37 %). Je größer der Strahldurchmesser, desto größer müssen die Optik und das gesamte System sein, um ein Abschneiden des Strahls zu vermeiden, was die Kosten erhöht. Allerdings erhöht eine Verringerung des Strahldurchmessers die Leistungs-/Energiedichte, was ebenfalls nachteilig sein kann.
8: Leistungs- oder Energiedichte (typische Einheiten: W/cm2 bis MW/cm2 oder µJ/cm2 bis J/cm2)
Der Strahldurchmesser bezieht sich auf die Leistungs-/Energiedichte des Laserstrahls oder die optische Leistung/Energie pro Flächeneinheit. Je größer der Strahldurchmesser ist, desto geringer ist die Leistungs-/Energiedichte eines Strahls mit konstanter Leistung bzw. Energie. Am Endausgang des Systems (z. B. beim Laserschneiden oder -schweißen) ist oft eine hohe Leistungs-/Energiedichte wünschenswert, innerhalb des Systems ist jedoch eine niedrige Leistungs-/Energiekonzentration oft von Vorteil, um laserinduzierte Schäden zu verhindern. Dies verhindert auch die Ionisierung der Luft im Bereich hoher Leistungs-/Energiedichte des Strahls. Unter anderem aus diesen Gründen werden häufig Laserstrahlaufweiter eingesetzt, um den Durchmesser zu vergrößern und dadurch die Leistungs-/Energiedichte im Lasersystem zu verringern. Es muss jedoch darauf geachtet werden, dass der Strahl nicht so stark aufgeweitet wird, dass er von den Öffnungen im System verdeckt wird, was zu Energieverschwendung und möglichen Schäden führen kann.
9: Strahlprofil
Das Strahlprofil eines Lasers beschreibt die verteilte Intensität im Strahlquerschnitt. Zu den gängigen Strahlprofilen gehören Gauß- und Flat-Top-Strahlen, deren Strahlprofile den Gauß- bzw. Flat-Top-Funktionen folgen (Abbildung 4). Allerdings kann kein Laser einen vollständig gaußförmigen oder vollständig flachen Spitzenstrahl mit einem Strahlprofil erzeugen, das genau seiner Eigenfunktion entspricht, da es im Inneren des Lasers immer eine gewisse Anzahl von Hotspots oder Schwankungen gibt. Der Unterschied zwischen dem tatsächlichen Strahlprofil eines Lasers und dem idealen Strahlprofil wird normalerweise durch eine Metrik beschrieben, die den M2-Faktor des Lasers enthält.
Abbildung 4: Ein Vergleich des Strahlprofils eines Gaußschen Strahls mit der gleichen durchschnittlichen Leistung oder Intensität und einem Strahl mit flacher Oberseite zeigt, dass die Spitzenintensität des Gaußschen Strahls doppelt so hoch ist wie die des Strahls mit flacher Oberseite.
10: Divergenz (typische Einheiten: mrad)
Obwohl Laserstrahlen normalerweise als kollimiert gelten, weisen sie immer eine gewisse Divergenz auf, die den Grad beschreibt, in dem der Strahl aufgrund der Beugung bei zunehmender Entfernung von der Strahltaille des Lasers divergiert. Bei Anwendungen mit großen Betriebsabständen, wie etwa LIDAR-Systemen, bei denen Objekte Hunderte von Metern vom Lasersystem entfernt sein können, wird Divergenz zu einem besonders wichtigen Thema. Die Strahldivergenz wird normalerweise durch den halben Winkel des Lasers definiert, und die Divergenz (θ) eines Gaußschen Strahls ist definiert als:
Bild.
λ ist die Wellenlänge des Lasers und w0 ist die Strahltaille des Lasers.
Endgültige Systemparameter
Diese endgültigen Parameter beschreiben die Leistung des Lasersystems bei der Ausgabe.
11: Spotgröße (typische Einheit: µm)
Die Spotgröße eines fokussierten Laserstrahls beschreibt den Strahldurchmesser im Brennpunkt des Fokussierlinsensystems. Bei vielen Anwendungen, beispielsweise in der Materialbearbeitung und in der medizinischen Chirurgie, besteht das Ziel darin, die Punktgröße zu minimieren. Dies maximiert die Leistungsdichte und ermöglicht die Erstellung außergewöhnlich feiner Merkmale. Asphärische Linsen werden häufig anstelle herkömmlicher sphärischer Linsen verwendet, um sphärische Aberrationen zu minimieren und kleinere Brennfleckgrößen zu erzielen. Einige Arten von Lasersystemen fokussieren den Laser letztendlich nicht auf den Punkt. In diesem Fall gilt dieser Parameter nicht.
12: Arbeitsabstand (typische Einheiten: µm bis m)
Der Arbeitsabstand eines Lasersystems wird normalerweise als der physische Abstand vom letzten optischen Element (normalerweise der Fokussierlinse) zum Objekt oder zur Oberfläche definiert, auf die der Laser fokussiert wird. Bestimmte Anwendungen, beispielsweise medizinische Laser, zielen typischerweise darauf ab, den Arbeitsabstand zu minimieren, während andere Anwendungen, beispielsweise Fernerkundung, typischerweise darauf abzielen, den Arbeitsabstandsbereich zu maximieren.
