Esiste un'ampia gamma di sistemi laser comuni per una varietà di applicazioni, tra cui la lavorazione dei materiali, la chirurgia laser e il telerilevamento, ma molti sistemi laser condividono parametri chiave comuni. Stabilire una terminologia comune per questi parametri previene errori di comunicazione e la loro comprensione consente di specificare correttamente i sistemi e i componenti laser per soddisfare i requisiti applicativi.
Figura 1: Schema di un comune sistema di lavorazione laser dei materiali, in cui ciascuno dei 10 parametri chiave di un sistema laser è rappresentato da un numero corrispondente
Parametri di base
I seguenti parametri di base rappresentano i concetti fondamentali di un sistema laser e sono essenziali per comprendere i punti più avanzati.
1: Lunghezza d'onda (unità tipiche: da nm a µm)
La lunghezza d'onda di un laser descrive la frequenza spaziale dell'onda luminosa emessa. La lunghezza d'onda ottimale per un determinato caso d'uso dipende fortemente dall'applicazione. Materiali diversi avranno proprietà di assorbimento uniche dipendenti dalla lunghezza d'onda nella lavorazione del materiale, con conseguenti diverse interazioni con il materiale. Allo stesso modo, l'assorbimento e l'interferenza atmosferica influenzeranno in modo diverso determinate lunghezze d'onda nel telerilevamento e vari complessi assorbiranno determinate lunghezze d'onda in modo diverso nelle applicazioni laser mediche. I laser a lunghezza d'onda più corta e l'ottica laser facilitano la creazione di dettagli piccoli e precisi con un riscaldamento periferico minimo perché la macchia focale è più piccola. Tuttavia, sono in genere più costosi e più facilmente danneggiabili rispetto ai laser con lunghezza d’onda maggiore.
2: Potenza ed energia (unità tipiche: W o J)
La potenza di un laser viene misurata in watt (W) e viene utilizzata per caratterizzare la potenza ottica di un laser a onda continua (CW) o la potenza media di un laser pulsato. I laser pulsati sono inoltre caratterizzati dalla loro energia di impulso, che è proporzionale alla potenza media e inversamente proporzionale alla velocità di ripetizione del laser (Figura 2). L'energia si misura in joule (J).
Figura 2: Rappresentazione visiva della relazione tra energia dell'impulso, frequenza di ripetizione e potenza media di un laser pulsato
I laser ad alta potenza ed energia sono in genere più costosi e producono più calore di scarto. Anche mantenere la qualità degli abbaglianti diventa più difficile con l’aumentare della potenza e dell’energia.
3: Durata dell'impulso (unità tipiche: da fs a ms)
La durata dell'impulso laser o l'ampiezza dell'impulso è generalmente definita come l'intera larghezza a metà massimo (FWHM) della potenza della luce laser rispetto al tempo (Figura 3). I laser ultraveloci offrono molti vantaggi in una vasta gamma di applicazioni, tra cui la lavorazione di materiali di precisione e i laser medicali, e sono caratterizzati da brevi durate di impulso da circa picosecondi (10-12 secondi) ad attosecondi (10-18 secondi).
Figura 3: Impulsi laser pulsati separati nel tempo dal reciproco della frequenza di ripetizione
4: Frequenza di ripetizione (unità tipiche: da Hz a MHz)
La velocità di ripetizione o la frequenza di ripetizione degli impulsi di un laser pulsato descrive il numero di impulsi emessi al secondo o l'intervallo di tempo inverso dell'impulso (Figura 3). Come accennato in precedenza, la frequenza di ripetizione è inversamente proporzionale all'energia dell'impulso e direttamente proporzionale alla potenza media. Sebbene la velocità di ripetizione dipenda solitamente dal mezzo di guadagno del laser, in molti casi può variare. Tassi di ripetizione più elevati comportano tempi di rilassamento termico più brevi sulla superficie dell'ottica laser e nel punto focale finale, il che porta a un riscaldamento del materiale più rapido.
5: Lunghezza di coerenza (unità tipiche: da millimetri a metri)
I laser sono coerenti, il che significa che esiste una relazione fissa tra i valori di fase del campo elettrico in momenti o luoghi diversi. Questo perché a differenza della maggior parte degli altri tipi di sorgenti luminose, i laser sono prodotti mediante emissione eccitata. La coerenza si degrada durante il processo di propagazione e la lunghezza di coerenza di un laser definisce una distanza sulla quale la coerenza temporale del laser viene mantenuta a una certa qualità.
6: Polarizzazione
La polarizzazione definisce la direzione del campo elettrico di un'onda luminosa, che è sempre perpendicolare alla direzione di propagazione. Nella maggior parte dei casi, il laser sarà polarizzato linearmente, il che significa che il campo elettrico emesso punta sempre nella stessa direzione. La luce non polarizzata avrà un campo elettrico che punta in molte direzioni diverse. Il grado di polarizzazione viene solitamente espresso come il rapporto tra le lunghezze focali della luce in due stati polarizzati ortogonalmente, ad esempio 100:1 o 500:1.
Parametri del fascio
I seguenti parametri caratterizzano la forma e la qualità di un raggio laser.
7: diametro del raggio (unità tipiche: da mm a cm)
Il diametro del raggio di un laser caratterizza l'estensione laterale del raggio, ovvero la sua dimensione fisica perpendicolare alla direzione di propagazione. Solitamente è definita come la larghezza 1/e2, che viene raggiunta dall'intensità del fascio a 1/e2 (≈ 13,5%). Nel punto 1/e2, l'intensità del campo elettrico scende a 1/e (≈ 37%). Maggiore è il diametro del raggio, maggiore deve essere l'ottica e l'intero sistema per evitare il troncamento del raggio, con conseguente aumento dei costi. Tuttavia, una riduzione del diametro del fascio aumenta la densità di potenza/energia, il che può anche essere dannoso.
8: Potenza o densità di energia (unità tipiche: da W/cm2 a MW/cm2 o da µJ/cm2 a J/cm2)
Il diametro del raggio si riferisce alla densità di potenza/energia del raggio laser o alla potenza/energia ottica per unità di area. Maggiore è il diametro del raggio, minore è la densità di potenza/energia di un raggio con potenza o energia costante. All'uscita finale del sistema (ad esempio, nel taglio o nella saldatura laser), è spesso auspicabile un'elevata densità di potenza/energia, ma all'interno del sistema, una bassa concentrazione di potenza/energia è spesso utile per prevenire danni indotti dal laser. Ciò impedisce anche la ionizzazione dell'aria nella regione ad alta densità di potenza/energia del fascio. Per questi motivi, tra gli altri, gli espansori del raggio laser vengono spesso utilizzati per aumentare il diametro e quindi ridurre la densità di potenza/energia all'interno del sistema laser. Tuttavia, è necessario fare attenzione a non espandere il raggio così tanto da oscurarlo dalle aperture del sistema, con conseguente spreco di energia e potenziali danni.
9: Profilo della trave
Il profilo del raggio di un laser descrive l'intensità distribuita nella sezione trasversale del raggio. I profili delle travi comuni includono travi gaussiane e a sommità piatta, i cui profili delle travi seguono rispettivamente le funzioni gaussiana e a sommità piatta (Figura 4). Tuttavia, nessun laser può produrre un raggio superiore completamente gaussiano o completamente piatto con un profilo del raggio che corrisponda esattamente alla sua autofunzione, perché all'interno del laser c'è sempre un certo numero di punti caldi o fluttuazioni. La differenza tra il profilo del raggio effettivo di un laser e il profilo del raggio ideale è solitamente descritta da una metrica che include il fattore M2 del laser.
Figura 4: Un confronto tra il profilo del fascio di un fascio gaussiano con la stessa potenza o intensità media e un fascio a sommità piatta mostra che l'intensità di picco del fascio gaussiano è due volte quella del fascio a sommità piatta.
10: Divergenza (unità tipiche: mrad)
Sebbene i raggi laser siano generalmente considerati collimati, contengono sempre una certa quantità di divergenza, che descrive il grado in cui il raggio diverge all'aumentare delle distanze dalla cintura del raggio laser a causa della diffrazione. Nelle applicazioni con lunghe distanze operative, come i sistemi LIDAR in cui gli oggetti possono trovarsi a centinaia di metri di distanza dal sistema laser, la divergenza diventa un problema particolarmente importante. La divergenza del raggio è solitamente definita dal semiangolo del laser e la divergenza (θ) di un raggio gaussiano è definita come:
Immagine.
λ è la lunghezza d'onda del laser e w0 è la larghezza del raggio del laser.
Parametri finali del sistema
Questi parametri finali descrivono le prestazioni del sistema laser in uscita.
11: dimensione del punto (unità tipica: µm)
La dimensione dello spot di un raggio laser focalizzato descrive il diametro del raggio nel punto focale del sistema di lenti di focalizzazione. In molte applicazioni, come la lavorazione dei materiali e la chirurgia medica, l'obiettivo è ridurre al minimo le dimensioni dello spot. Ciò massimizza la densità di potenza e consente la creazione di caratteristiche eccezionalmente fini. Le lenti asferiche vengono spesso utilizzate al posto delle tradizionali lenti sferiche per ridurre al minimo l'aberrazione sferica e produrre dimensioni del punto focale più piccole. Alcuni tipi di sistemi laser non mettono a fuoco il laser sul punto, nel qual caso questo parametro non si applica.
12: Distanza di lavoro (unità tipiche: da µm a m)
La distanza di lavoro di un sistema laser è solitamente definita come la distanza fisica dall'elemento ottico finale (solitamente la lente di focalizzazione) all'oggetto o alla superficie su cui è focalizzato il laser. Alcune applicazioni, come i laser medicali, in genere cercano di ridurre al minimo la distanza di lavoro, mentre altre applicazioni, come il telerilevamento, mirano in genere a massimizzare la distanza di lavoro.
