في تطبيقات مختلفة مثل معالجة المواد، وجراحة الليزر، والاستشعار عن بعد، وأبرزهاوضع العلامات بالليزرتوجد مجموعة متنوعة من أنظمة الليزر الشائعة. تشترك العديد من أنظمة الليزر هذه في المعلمات الأساسية. إن وضع مصطلحات عالمية لهذه المعلمات يمكن أن يمنع التحريف، ومن خلال فهم هذه المصطلحات، يمكنك تحديد أنظمة الليزر ومكوناته بشكل صحيح لتلبية احتياجات التطبيق الخاصة بك.
الشكل 1: رسم تخطيطي لنظام معالجة المواد بالليزر الشائع، حيث يتم تمثيل 10 معلمات رئيسية لنظام الليزر بالأرقام المقابلة
NO.1 الطول الموجي: يعد الطول الموجي لليزر معلمة أساسية تصف التردد المكاني لموجة الضوء المنبعثة. تلعب أشعة الليزر ذات الأطوال الموجية المختلفة أدوارًا في تطبيقات مختلفة. في معالجة المواد، تتميز المواد المختلفة بخصائص امتصاص مختلفة لأطوال موجية مختلفة، وبالتالي فإن التفاعل مع المادة يختلف أيضًا. تتمتع أشعة الليزر ذات الطول الموجي الأقصر وبصريات الليزر بمزايا في إنشاء ميزات صغيرة ودقيقة، مع تسخين محيطي أقل. ومع ذلك، عادة ما تكون هذه الأجهزة أكثر تكلفة وأكثر هشاشة مقارنة بأجهزة الليزر ذات الأطوال الموجية الأطول.
رقم 2 القوة: تقاس طاقة الليزر عادةً بالواط (W)، وتستخدم لوصف خرج الطاقة الضوئية لأشعة الليزر ذات الموجة المستمرة (CW)، أو متوسط طاقة الليزر النبضي. من مميزات الليزر النبضي أن طاقة النبض الخاصة به تتناسب طرديًا مع متوسط الطاقة وتتناسب عكسيًا مع معدل التكرار. وحدة الطاقة هي جول (J). لذلك يمكن حساب طاقة النبضة بقسمة متوسط القدرة على معدل التكرار.
الشكل 2: تمثيل مرئي للعلاقة بين طاقة النبض ومعدل التكرار ومتوسط قوة أشعة الليزر النبضية ذات الطاقة الأعلى وأشعة الليزر ذات الطاقة تكون عمومًا أكثر تكلفة وتولد المزيد من الحرارة المهدرة. ومع زيادة القوة والطاقة، يصبح من الصعب أكثر فأكثر الحفاظ على جودة شعاع عالية.
NO.3 مدة النبض:عادةً ما يتم تعريف مدة النبضة أو عرض النبضة لليزر على أنها الوقت الذي يستغرقه الليزر للوصول إلى نصف (FWHM) من قدرته الضوئية القصوى. تتميز أجهزة الليزر فائقة السرعة بفترات نبض قصيرة، تتراوح من بيكو ثانية (10-12 ثانية) إلى أتوثانية (10-18 ثانية).
الشكل 3: الفاصل الزمني لنبض الليزر النبضي هو مقلوب معدل التكرار
NO.4 معدل التكرار:يصف معدل تكرار الليزر النبضي عدد النبضات المنبعثة في الثانية، وهو مقلوب الفاصل الزمني بين النبضات. وعلى عكس ما ذكرنا سابقاً فإن معدل التكرار يتناسب عكسياً مع طاقة النبضة ويتناسب طردياً مع متوسط القدرة. ويعني معدل التكرار الأعلى أن وقت الاسترخاء الحراري لسطح العنصر البصري بالليزر ونقطة التركيز النهائية أقصر، وبالتالي يكون معدل تسخين المادة أسرع.
NO.5 طول التماسك:يتمتع الليزر بالتماسك، مما يعني وجود علاقة ثابتة بين قيم الطور للمجال الكهربائي في أوقات أو مواقع مختلفة. تنبع هذه الخاصية من حقيقة أن الليزر يتم إنتاجه عن طريق الانبعاث المحفز، والذي يختلف عن معظم أنواع مصادر الضوء الأخرى. على الرغم من أن تماسك الليزر سوف يضعف تدريجيًا أثناء الانتشار، فإن طول تماسك الليزر يحدد المسافة التي يظل عندها تماسكه الزمني عند مستوى معين.
NO.6 الاستقطاب:يحدد الاستقطاب اتجاه المجال الكهربائي لموجة الضوء، والذي يكون دائمًا متعامدًا مع اتجاه الانتشار. في معظم الحالات، يكون الليزر مستقطبًا خطيًا، أي أن المجال الكهربائي المنبعث يشير دائمًا إلى نفس الاتجاه. وفي المقابل، فإن الضوء غير المستقطب سينتج مجالات كهربائية تشير إلى العديد من الاتجاهات المختلفة. عادة ما يتم التعبير عن الاستقطاب على أنه نسبة قوة الضوء بين حالتي استقطاب متعامدين، مثل 100:1 أو 500:1.
NO.7 قطر الشعاع: يصف قطر شعاع الليزر الامتداد الجانبي للحزمة، أي الحجم المادي المتعامد مع اتجاه الانتشار. عادة، يتم تحديد قطر الشعاع عند عرض 1/e²، أي النقطة التي تصل فيها كثافة الشعاع إلى 1/e² (حوالي 13.5%) من القيمة القصوى. عند هذه النقطة، تنخفض شدة المجال الكهربائي إلى 1/e (حوالي 37%) من القيمة القصوى. كلما زاد قطر الشعاع، زادت الحاجة إلى المكونات البصرية والنظام بأكمله لتجنب قص الشعاع، مما أدى إلى زيادة التكاليف. ومع ذلك، فإن تقليل قطر الشعاع سيؤدي إلى زيادة كثافة الطاقة/الطاقة، مما سيؤدي أيضًا إلى تأثيرات ضارة.
NO.8 قوة أو كثافة الطاقة: تشير الطاقة أو كثافة الطاقة إلى قوة الشعاع أو الطاقة لكل وحدة مساحة. يرتبط قطر الشعاع ارتباطًا وثيقًا بكثافة الطاقة/الطاقة. عندما تظل قوة أو طاقة الشعاع ثابتة، كلما زاد قطر الشعاع، قلت كثافة الطاقة/الطاقة. بشكل عام، تعد أشعة الليزر ذات الطاقة/كثافة الطاقة العالية هي المخرج النهائي المثالي للنظام، كما هو الحال في تطبيقات القطع بالليزر أو اللحام بالليزر. ومع ذلك، فإن أشعة الليزر ذات الطاقة/كثافة الطاقة المنخفضة مفيدة للنظام داخليًا، ويمكن أن تقلل من الضرر الناجم عن الليزر، وتمنع منطقة الطاقة العالية/كثافة الطاقة العالية للشعاع من تأين الهواء.
NO.9 شعاع الملف الشخصي: يصف ملف تعريف الحزمة كثافة توزيع الحزمة على المقطع العرضي. تشتمل ملفات الشعاع الشائعة على عوارض غاوسية وعوارض مسطحة، وتتبع ملفات شعاعها وظائف غاوسية وعوارض مسطحة، على التوالي. ومع ذلك، نظرًا لوجود عدد معين من النقاط الساخنة أو التذبذبات داخل الليزر، لا يمكن لأي ليزر إنتاج شعاع غاوسي مثالي أو شعاع مثالي مسطح يتطابق تمامًا مع شكل الشعاع المثالي. عادة ما يتم وصف الفرق بين ملف شعاع الليزر الفعلي وملف شعاع الليزر المثالي من خلال مؤشرات قياس متعددة (بما في ذلك عامل M² لليزر).
NO.10 الاختلاف:على الرغم من أن الناس عادة ما يعتقدون أن شعاع الليزر هو ضوء موازي، إلا أن شعاع الليزر سيكون له دائمًا درجة معينة من الاختلاف. يصف الاختلاف درجة انتشار الحزمة بالنسبة إلى وسط الحزمة بعد الانتشار لمسافات طويلة بسبب الحيود. في التطبيقات ذات مسافات العمل الطويلة، مثل أنظمة رادار الليزر، حيث قد يكون الهدف ونظام الليزر على بعد مئات الأمتار، يصبح الاختلاف قضية مهمة بشكل خاص. عادةً ما يتم تعريف انحراف الشعاع بنصف زاوية الليزر، ويتم تعريف زاوية الانحراف (θ) للشعاع الغوسي على أنها π هو الطول الموجي لليزر، وw0 هو وسط شعاع الليزر.
رقم 11 حجم البقعة: يصف حجم البقعة قطر البقعة لشعاع الليزر المركز، الموجود في بؤرة نظام عدسة التركيز. في العديد من التطبيقات، مثل معالجة المواد والجراحة الطبية، هدفنا هو تقليل حجم البقعة. يمكن أن يؤدي ذلك إلى زيادة كثافة الطاقة إلى الحد الأقصى وإنشاء ميزات رائعة بشكل خاص. غالبًا ما تستخدم العدسات شبه الكروية لتحل محل العدسات الكروية التقليدية لتقليل الانحرافات الكروية وتقليل حجم البقعة. في بعض أنواع أنظمة الليزر، لن يقوم الليزر في النهاية بتركيز الليزر في مكان ما، لذلك في هذه الحالة، لا يتم تطبيق هذه المعلمة.
الشكل 5: تظهر تجارب التصنيع الدقيق بالليزر في المعهد الإيطالي للتكنولوجيا أن كفاءة الاستئصال لنظام الحفر بالليزر النانوسيكند تزيد عشرة أضعاف عندما يتم تقليل حجم البقعة من 220 ميكرون إلى 9 ميكرون عند التدفق المستمر.
