In varie applicazioni come la lavorazione dei materiali, la chirurgia laser, il telerilevamento e in particolaremarcatura laser, esistono una varietà di sistemi laser comuni. Molti di questi sistemi laser condividono parametri chiave. Stabilire termini universali per questi parametri può prevenire false dichiarazioni e, comprendendo questi termini, è possibile specificare correttamente i sistemi e i componenti laser per soddisfare le esigenze applicative.
Fig. 1: Rappresentazione schematica di un comune sistema di lavorazione laser di materiali, in cui 10 parametri chiave del sistema laser sono rappresentati da numeri corrispondenti
N.1 Lunghezza d'onda: La lunghezza d'onda del laser è un parametro fondamentale che descrive la frequenza spaziale dell'onda luminosa emessa. Laser di diverse lunghezze d'onda svolgono ruoli in diverse applicazioni. Nella lavorazione dei materiali, materiali diversi hanno caratteristiche di assorbimento diverse per lunghezze d'onda diverse, quindi anche l'interazione con il materiale è diversa. I laser a lunghezza d'onda più corta e l'ottica laser presentano vantaggi nella creazione di caratteristiche piccole e precise, con un minore riscaldamento periferico. Tuttavia, questi dispositivi sono generalmente più costosi e più fragili rispetto ai laser con lunghezze d’onda maggiori.
NO.2 Potenza: La potenza del laser viene solitamente misurata in watt (W), utilizzata per descrivere la potenza ottica in uscita dei laser a onda continua (CW) o la potenza media dei laser pulsati. La caratteristica dei laser pulsati è che l'energia del loro impulso è direttamente proporzionale alla potenza media e inversamente proporzionale alla frequenza di ripetizione. L'unità di energia è il joule (J). Pertanto, l'energia dell'impulso può essere calcolata dividendo la potenza media per la frequenza di ripetizione.
Fig 2: una rappresentazione visiva della relazione tra energia dell'impulso, velocità di ripetizione e potenza media dei laser pulsati. I laser a potenza ed energia più elevate sono generalmente più costosi e generano più calore disperso. Con l'aumento della potenza e dell'energia, diventa sempre più difficile mantenere la qualità degli abbaglianti.
N.3 Durata dell'impulso:La durata dell'impulso o larghezza dell'impulso di un laser è solitamente definita come il tempo impiegato dal laser per raggiungere la metà (FWHM) della sua potenza ottica massima. I laser ultraveloci sono caratterizzati da brevi durate degli impulsi, che vanno dai picosecondi (10-12 secondi) agli attosecondi (10-18 secondi).
Fig 3: L'intervallo di impulso di un laser pulsato è il reciproco della velocità di ripetizione
NO.4 Tasso di ripetizione:La frequenza di ripetizione di un laser pulsato descrive il numero di impulsi emessi al secondo, che è il reciproco dell'intervallo di tempo tra gli impulsi. Contrariamente a quanto accennato in precedenza, la frequenza di ripetizione è inversamente proporzionale all'energia dell'impulso e direttamente proporzionale alla potenza media. Una velocità di ripetizione più elevata significa che il tempo di rilassamento termico della superficie dell'elemento ottico laser e del punto focalizzato finale è più breve, quindi la velocità di riscaldamento del materiale è più rapida.
NO.5 Lunghezza di coerenza:I laser hanno coerenza, il che significa che esiste una relazione fissa tra i valori di fase del campo elettrico in tempi o posizioni diversi. Questa caratteristica deriva dal fatto che i laser sono prodotti mediante emissione stimolata, a differenza della maggior parte degli altri tipi di sorgenti luminose. Sebbene la coerenza del laser si indebolisca gradualmente durante la propagazione, la lunghezza di coerenza del laser definisce la distanza alla quale la sua coerenza temporale rimane ad un certo livello.
NO.6 Polarizzazione:La polarizzazione definisce la direzione del campo elettrico dell'onda luminosa, che è sempre perpendicolare alla direzione di propagazione. Nella maggior parte dei casi il laser è polarizzato linearmente, cioè il campo elettrico emesso punta sempre nella stessa direzione. Al contrario, la luce non polarizzata produrrà campi elettrici che puntano in molte direzioni diverse. La polarizzazione è solitamente espressa come il rapporto della potenza luminosa tra due stati di polarizzazione ortogonali, come 100:1 o 500:1.
Diametro del fascio N.7: Il diametro del raggio laser descrive l'estensione laterale del raggio, cioè la dimensione fisica perpendicolare alla direzione di propagazione. Solitamente il diametro del fascio è definito alla larghezza di 1/e², cioè il punto in cui l'intensità del fascio raggiunge 1/e² (circa 13,5%) del valore massimo. A questo punto l'intensità del campo elettrico scende a 1/e (circa il 37%) del valore massimo. Maggiore è il diametro del raggio, maggiori saranno i componenti ottici e l'intero sistema necessari per evitare il taglio del raggio, con conseguente aumento dei costi. Tuttavia, la riduzione del diametro del fascio aumenterà la densità di potenza/energia, il che comporterà anche effetti negativi.
NO.8 Potenza o densità di energia: La densità di potenza o di energia si riferisce alla potenza del raggio o all'energia per unità di area. Il diametro del fascio è strettamente correlato alla densità di potenza/energia. Quando la potenza o l'energia del raggio rimane costante, maggiore è il diametro del raggio, minore è la densità di potenza/energia. In generale, i laser con elevata densità di potenza/energia rappresentano il risultato finale ideale del sistema, come nelle applicazioni di taglio o saldatura laser. Tuttavia, i laser con bassa potenza/densità di energia sono vantaggiosi per il sistema internamente, possono ridurre i danni causati dai laser e impedire che l'area ad alta potenza/densità di energia elevata del raggio ionizzi l'aria.
Profilo del fascio N.9: Il profilo della trave descrive l'intensità di distribuzione della trave sulla sezione trasversale. I profili delle travi comuni includono travi gaussiane e travi a sommità piatta, e i relativi profili delle travi seguono rispettivamente le funzioni gaussiana e a sommità piatta. Tuttavia, poiché all’interno del laser è sempre presente un certo numero di punti caldi o oscillazioni, nessun laser può produrre un raggio gaussiano perfetto o un raggio a sommità piatta perfetto che corrisponda perfettamente al profilo del raggio ideale. La differenza tra il profilo del raggio effettivo del laser e il profilo del raggio ideale è solitamente descritta da più indicatori di misurazione (incluso il fattore M² del laser).
NO.10 Divergenza:Sebbene le persone di solito pensino che il raggio laser sia luce collimata, in realtà il raggio laser avrà sempre un certo grado di divergenza. La divergenza descrive il grado di diffusione del fascio rispetto alla cintura del fascio dopo la propagazione a lunga distanza dovuta alla diffrazione. Nelle applicazioni con lunghe distanze di lavoro, come i sistemi radar laser, dove il bersaglio e il sistema laser possono trovarsi a centinaia di metri di distanza, la divergenza diventa un problema particolarmente importante. La divergenza del raggio è solitamente definita dal semiangolo del laser e l'angolo di divergenza (θ) del raggio gaussiano è definito come λ è la lunghezza d'onda del laser e w0 è la vita del raggio laser.
N.11 Dimensione spot: La dimensione dello spot descrive il diametro dello spot del raggio laser focalizzato, situato al centro del sistema di lenti di focalizzazione. In molte applicazioni, come la lavorazione dei materiali e la chirurgia medica, il nostro obiettivo è ridurre al minimo le dimensioni dello spot. Ciò può massimizzare la densità di potenza e creare caratteristiche particolarmente raffinate. Le lenti asferiche vengono spesso utilizzate per sostituire le tradizionali lenti sferiche per ridurre le aberrazioni sferiche e ridurre la dimensione dello spot. In alcuni tipi di sistemi laser, il laser alla fine non mette a fuoco il laser in un punto, quindi in questo caso questo parametro non si applica.
Fig 5: Esperimenti di microlavorazione laser presso l'Istituto Italiano di Tecnologia mostrano che l'efficienza di ablazione di un sistema di perforazione laser a nanosecondi aumenta di dieci volte quando la dimensione dello spot viene ridotta da 220 micron a 9 micron a flusso costante.
