هناك مجموعة واسعة من أنظمة الليزر الشائعة لمجموعة متنوعة من التطبيقات، بما في ذلك معالجة المواد وجراحة الليزر والاستشعار عن بعد، ولكن العديد من أنظمة الليزر تشترك في معلمات رئيسية مشتركة. يؤدي إنشاء مصطلحات مشتركة لهذه المعلمات إلى منع سوء الفهم، ويتيح فهمها تحديد المواصفات الصحيحة لأنظمة الليزر ومكوناته لتلبية متطلبات التطبيق.
الشكل 1: رسم تخطيطي لنظام معالجة المواد بالليزر الشائع، حيث يتم تمثيل كل من المعلمات العشرة الرئيسية لنظام الليزر برقم مناظر
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. سيكون للمواد المختلفة خصائص امتصاص فريدة تعتمد على الطول الموجي في معالجة المواد، مما يؤدي إلى تفاعلات مختلفة مع المادة. وبالمثل، فإن الامتصاص والتداخل الجوي سيؤثر على أطوال موجية معينة بشكل مختلف في الاستشعار عن بعد، وسوف تمتص المجمعات المختلفة أطوال موجية معينة بشكل مختلف في تطبيقات الليزر الطبية. تسهل أشعة الليزر ذات الطول الموجي الأقصر وبصريات الليزر 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 لتوصيف خرج الطاقة الضوئية لليزر الموجي المستمر (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).
الشكل 2: تمثيل مرئي للعلاقة بين طاقة النبض ومعدل التكرار ومتوسط قوة الليزر النبضي
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).
الشكل 3: نبضات الليزر النبضية مفصولة زمنياً بمقلوب معدل التكرار
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 وسط كسب الليزر، فإنه يمكن أن يختلف في كثير من الحالات. تؤدي معدلات التكرار الأعلى إلى أوقات استرخاء حراري أقصر على سطح بصريات الليزر وعند نقطة التركيز النهائية، مما يؤدي إلى تسخين المادة بشكل أسرع.
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. يتحلل التماسك خلال عملية الانتشار، ويحدد طول التماسك لليزر المسافة التي يتم من خلالها الحفاظ على التماسك الزمني لليزر بجودة 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. عادة ما يتم التعبير عن درجة الاستقطاب كنسبة الأطوال البؤرية للضوء في حالتين مستقطبتين بشكل متعامد، 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 بعدها المادي المتعامد مع اتجاه الانتشار. يتم تعريفه عادةً على أنه عرض 1/e2، والذي يتم الوصول إليه من خلال كثافة الحزمة عند 1/e2 (≈ 13.5%). عند النقطة 1/e2، تنخفض شدة المجال الكهربائي إلى 1/e (≈ 37%). كلما زاد قطر الشعاع، كلما زادت الحاجة إلى البصريات والنظام بأكمله لتجنب اقتطاع الشعاع، مما يزيد من التكلفة. ومع ذلك، فإن انخفاض قطر الشعاع يزيد من كثافة القدرة/الطاقة، وهو ما يمكن أن يكون ضارًا 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 القدرة/الطاقة للحزمة ذات القدرة أو الطاقة الثابتة. عند المخرج النهائي للنظام (على سبيل المثال، في القطع أو اللحام بالليزر)، غالبًا ما تكون كثافة الطاقة/الطاقة العالية مرغوبة، ولكن داخل النظام، غالبًا ما يكون تركيز الطاقة/الطاقة المنخفض مفيدًا لمنع 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 توسيع الشعاع كثيرًا بحيث يتم حجب الشعاع من الفتحات الموجودة في النظام، مما يؤدي إلى إهدار الطاقة والضرر المحتمل.
9: ملف الشعاع
يصف ملف تعريف شعاع الليزر الكثافة الموزعة في المقطع العرضي للحزمة. تشتمل ملفات تعريف الحزمة الشائعة على حزم Gaussian وحزم مسطحة، والتي تتبع ملفات تعريف الحزمة الخاصة بها وظائف Gaussian وFlat-top، على التوالي (الشكل 4). ومع ذلك، لا يمكن لأي ليزر أن ينتج شعاعًا علويًا غاوسيًا أو مسطحًا تمامًا مع ملف تعريف شعاع يتطابق تمامًا مع وظيفته الذاتية، لأنه يوجد دائمًا عدد معين من النقاط الساخنة أو التقلبات داخل الليزر. عادةً ما يتم وصف الفرق بين ملف تعريف الشعاع الفعلي لليزر وملف تعريف الشعاع المثالي بواسطة مقياس يتضمن عامل M2 لليزر.
الشكل 4: تظهر مقارنة ملف شعاع الشعاع الغوسي بنفس متوسط القوة أو الشدة والشعاع المسطح أن ذروة شدة الشعاع الغوسي هي ضعف كثافة الشعاع المسطح.
10: التباعد (الوحدات النموذجية: mrad)
على الرغم من أن أشعة الليزر عادة ما تعتبر موازية، إلا أنها تحتوي دائمًا على قدر معين من الاختلاف، والذي يصف الدرجة التي يتباعد بها الشعاع عند مسافات متزايدة من وسط شعاع الليزر بسبب الحيود. في التطبيقات ذات مسافات التشغيل الطويلة، مثل أنظمة LIDAR حيث قد تكون الكائنات على بعد مئات الأمتار من نظام الليزر، يصبح الاختلاف مشكلة ذات أهمية خاصة. يتم تعريف انحراف الشعاع عادة بنصف زاوية الليزر، ويتم تعريف انحراف الشعاع الغوسي (θ) على النحو التالي:
صورة.
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 أقصى حد ويسمح بإنشاء ميزات رائعة بشكل استثنائي. 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 يتم تطبيق هذه المعلمة.
12: مسافة العمل (الوحدات النموذجية: ميكرومتر إلى متر)
يتم تعريف مسافة العمل لنظام الليزر عادةً على أنها المسافة المادية 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 التطبيقات الأخرى، مثل الاستشعار عن بعد، عادةً إلى زيادة نطاق مسافة العمل إلى أقصى حد.
