Há uma ampla gama de sistemas laser de uso geral em diversas aplicações, como processamento de materiais, cirurgia a laser e sensoriamento remoto, mas muitos sistemas laser compartilham parâmetros importantes em comum. O estabelecimento de termos comuns para esses parâmetros evita falhas de comunicação, e entendê-los permite que o sistema laser e os componentes sejam especificados corretamente para atender aos requisitos da aplicação.
Parâmetros básicos
Os parâmetros básicos a seguir são os conceitos mais básicos de sistemas a laser e também são essenciais para a compreensão de pontos mais avançados.
1. Comprimento de onda(Unidades típicas: nm/um)
O comprimento de onda do laser descreve a frequência espacial da onda de luz emitida. Diferentes materiais terão propriedades únicas de absorção dependentes do comprimento de onda no processamento do material, resultando em diferentes interações com o material. Da mesma forma, a absorção atmosférica e a interferência terão efeitos diferentes em certos comprimentos de onda no sensoriamento remoto e, em aplicações médicas de laser, vários complexos terão absorção diferente em certos comprimentos de onda. Lasers de comprimento de onda mais curtos e ópticas de laser facilitam a criação de recursos pequenos e precisos com aquecimento periférico mínimo porque o ponto focal é menor. No entanto, eles são geralmente mais caros e mais propensos a danos do que os lasers de comprimento de onda mais longo.
2. Potência e energia(Unidades típicas: W/J)
A potência de um laser é medida em watts (W) e é usada para descrever a potência óptica de um laser de onda contínua (CW) ou a potência média de um laser pulsado. Os lasers pulsados também são caracterizados pela sua energia de pulso, que é proporcional à potência média e inversamente proporcional à taxa de repetição do laser. A energia é medida em joules (J).
Lasers de maior potência e energia são geralmente mais caros e produzem mais calor residual. À medida que a potência e a energia aumentam, torna-se cada vez mais difícil manter a alta qualidade do feixe.
3. Duração do pulso(Unidades típicas: fs/ms)
A duração do pulso do laser ou largura do pulso é geralmente definida como a largura total de meio pico (FWHM) da potência e do tempo da luz laser. Os lasers ultrarrápidos têm muitas vantagens em uma variedade de aplicações, incluindo processamento de materiais de precisão e lasers médicos, e são caracterizados por durações de pulso curtas de cerca de picossegundos (10-12 segundos) a attossegundos (10-18 segundos).
4. Taxa de repetição(Unidades típicas: Hz/MHz)
A taxa de repetição ou taxa de repetição de pulso de um laser pulsado descreve o número de pulsos emitidos por segundo ou o intervalo de pulso de tempo reverso. Conforme mencionado anteriormente, a taxa de repetição é inversamente proporcional à energia do pulso e proporcional à potência média. Embora a taxa de repetição geralmente dependa do meio de ganho do laser, ela pode variar em muitos casos. A maior taxa de repetição resulta em menor tempo de relaxamento térmico para a superfície e foco final da óptica do laser, o que leva a um aquecimento mais rápido do material.
5. Comprimento de coerência(Unidades típicas: mm/m)
Os lasers são coerentes, o que significa que existe uma relação fixa entre os valores de fase do campo elétrico em diferentes momentos ou locais. Isso ocorre porque, diferentemente da maioria dos outros tipos de fontes de luz, a luz laser é produzida por emissão estimulada. , e o comprimento de coerência de um laser define a distância sobre a qual a coerência temporal do laser permanece com uma certa qualidade.
6. Polarização
A polarização define a direção do campo elétrico de uma onda de luz, que é sempre perpendicular à direção de propagação. Na maioria dos casos, o laser será polarizado linearmente, o que significa que o campo elétrico emitido aponta sempre na mesma direção. A luz não polarizada terá campos elétricos apontando em muitas direções diferentes. A polarização é geralmente expressa como a razão entre a força focal da luz em dois estados de polarização ortogonais, como 100:1 ou 500:1.
Parâmetros de feixe
Os seguintes parâmetros caracterizam a forma e a qualidade do feixe de laser.
7. Diâmetro do feixe(Unidades típicas: mm/cm)
O diâmetro do feixe de um laser caracteriza a extensão transversal do feixe, ou seu tamanho físico perpendicular à direção de propagação. Geralmente é definida como uma largura de 1/e2, que é definida pela intensidade do feixe atingindo 1/e2 (≈ 13,5%). Em 1/e2, a intensidade do campo cai para 1/e (≈ 37%). Quanto maior o diâmetro do feixe, maiores devem ser a óptica e o sistema geral para evitar que o feixe seja truncado, aumentando assim o custo. Contudo, uma redução no diâmetro do feixe aumenta a densidade de potência/energia, o que também pode ser prejudicial.
8. Potência ou densidade de energia(Unidades típicas:W/cm2,MW/cm2 ou µJ/cm2,J/cm2)
O diâmetro do feixe está relacionado à densidade de potência/energia do feixe de laser ou à potência/energia óptica por unidade de área. Quanto maior o diâmetro do feixe, menor será a densidade de potência/energia de um feixe com potência ou energia constante. Na saída final de um sistema (por exemplo, em corte a laser ou soldagem), uma alta densidade de potência/energia é geralmente ideal, mas dentro do sistema, uma baixa concentração de potência/energia é geralmente benéfica para evitar danos induzidos pelo laser. Isto também evita que a região de alta densidade de potência/energia do feixe ionize o ar. Por estas razões, entre outras, extensores de feixe de laser são frequentemente usados para aumentar o diâmetro, reduzindo assim a densidade de potência/energia dentro do sistema de laser. No entanto, deve-se tomar cuidado para não expandir muito o feixe, de modo que ele fique obstruído pelos poros do sistema, resultando em desperdício de energia e danos potenciais.
9. Perfil do feixe
O perfil do feixe de um laser descreve a distribuição de intensidade na seção transversal do feixe. Perfis de viga comuns incluem viga gaussiana e viga de topo plano, cujos perfis de feixe seguem a função gaussiana e a função de topo plano, respectivamente. No entanto, nenhum laser pode produzir um feixe superior perfeitamente gaussiano ou perfeitamente plano cujo perfil do feixe corresponda exatamente à sua função característica, porque há sempre um certo número de pontos quentes ou flutuações dentro do laser. A diferença entre o perfil real do feixe de um laser e o perfil do feixe ideal é geralmente descrita por uma métrica que inclui o fator M2 do laser.
10. Divergência(unidade típica: mrad)
Embora os feixes de laser sejam geralmente considerados colimadores, eles sempre contêm uma certa divergência, que descreve a extensão em que o feixe diverge ao longo de uma distância crescente da cintura do feixe de laser devido à difração. Em aplicações com longas distâncias de trabalho, como sistemas LiDAR, onde os objetos podem estar a centenas de metros de distância do sistema laser, a divergência torna-se um problema particularmente importante. A divergência do feixe é geralmente definida pelo meio ângulo do laser, e a divergência (θ) de um feixe gaussiano é definida como:
θ═λ/πw0
λ é o comprimento de onda do laser e w0 é a cintura do laser.
Estes parâmetros finais descrevem o desempenho do sistema laser na saída.
11. Tamanho do ponto(Unidade típica: μm)
O tamanho do ponto do feixe de laser focado descreve o diâmetro do feixe no ponto focal do sistema de lentes de foco. Em muitas aplicações, como processamento de materiais e cirurgia médica, o objetivo é minimizar o tamanho do ponto. Isso maximiza a densidade de potência e permite a criação de recursos particularmente refinados. Lentes asféricas são frequentemente usadas em vez de lentes esféricas tradicionais para reduzir aberrações esféricas e produzir um tamanho de ponto focal menor. Alguns tipos de sistemas de laser não focam o laser no ponto, caso em que este parâmetro não se aplica.
12. Distância de trabalho(unidade típica: µm/m)
A distância de trabalho de um sistema laser é geralmente definida como a distância física do elemento óptico final (geralmente uma lente de foco) até o objeto ou superfície na qual o laser está focado. Algumas aplicações, como lasers médicos, muitas vezes procuram minimizar a distância de trabalho, enquanto outras aplicações, como sensoriamento remoto, muitas vezes visam maximizar o alcance da distância de trabalho.
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