มีระบบเลเซอร์ทั่วไปมากมายที่ใช้ในงานต่างๆ เช่น การประมวลผลวัสดุ การผ่าตัดด้วยเลเซอร์ และการสำรวจระยะไกล แต่ระบบเลเซอร์จำนวนมากมีพารามิเตอร์หลักที่เหมือนกัน การกำหนดคำศัพท์ทั่วไปสำหรับพารามิเตอร์เหล่านี้จะช่วยป้องกันข้อผิดพลาดในการสื่อสาร และการทำความเข้าใจเกี่ยวกับพารามิเตอร์เหล่านี้จะช่วยให้สามารถระบุระบบเลเซอร์และส่วนประกอบต่างๆ ได้อย่างถูกต้องเพื่อตอบสนองความต้องการของงาน
รูปที่ 1: แผนผังของระบบการประมวลผลวัสดุด้วยเลเซอร์ทั่วไป โดยที่พารามิเตอร์หลักทั้ง 10 ประการของระบบเลเซอร์แต่ละตัวจะแสดงด้วยตัวเลขที่สอดคล้องกัน
พารามิเตอร์พื้นฐาน
พารามิเตอร์พื้นฐานต่อไปนี้เป็นแนวคิดพื้นฐานที่สุดของระบบเลเซอร์และยังมีความสำคัญต่อการทำความเข้าใจประเด็นขั้นสูงเพิ่มเติมอีกด้วย
1: ความยาวคลื่น (หน่วยทั่วไป: นาโนเมตรถึงไมโครเมตร)
ความยาวคลื่นของเลเซอร์จะอธิบายความถี่เชิงพื้นที่ของคลื่นแสงที่ปล่อยออกมา ความยาวคลื่นที่เหมาะสมที่สุดสำหรับกรณีการใช้งานที่กำหนดนั้นขึ้นอยู่กับการใช้งานเป็นอย่างมาก วัสดุต่างๆ จะมีคุณสมบัติการดูดซับที่ขึ้นอยู่กับความยาวคลื่นเฉพาะในการประมวลผลวัสดุ ส่งผลให้มีปฏิสัมพันธ์กับวัสดุที่แตกต่างกัน ในทำนองเดียวกัน การดูดซับและการรบกวนในบรรยากาศจะส่งผลต่อความยาวคลื่นบางความยาวคลื่นแตกต่างกันในการรับรู้จากระยะไกล และสารเชิงซ้อนต่างๆ จะดูดซับความยาวคลื่นบางความยาวคลื่นแตกต่างกันในการประยุกต์ใช้เลเซอร์ทางการแพทย์ เลเซอร์และออปติกเลเซอร์ที่มีความยาวคลื่นสั้นกว่านั้นมีประโยชน์ในการสร้างคุณสมบัติที่เล็กและแม่นยำพร้อมความร้อนรอบนอกน้อยที่สุด เนื่องจากจุดโฟกัสมีขนาดเล็กกว่า อย่างไรก็ตาม โดยทั่วไปแล้วเลเซอร์เหล่านี้มีราคาแพงกว่าและเสี่ยงต่อการเสียหายมากกว่าเลเซอร์ที่มีความยาวคลื่นยาวกว่า
2: กำลังและพลังงาน (หน่วยทั่วไป: W หรือ J)
กำลังของเลเซอร์วัดเป็นวัตต์ (W) และใช้เพื่ออธิบายกำลังแสงที่ส่งออกของเลเซอร์คลื่นต่อเนื่อง (CW) หรือกำลังเฉลี่ยของเลเซอร์แบบพัลส์ เลเซอร์แบบพัลส์ยังมีลักษณะเฉพาะด้วยพลังงานพัลส์ ซึ่งแปรผันตามกำลังเฉลี่ยและแปรผกผันตามอัตราการทำซ้ำของเลเซอร์ (รูปที่ 2) พลังงานวัดเป็นจูล (J)
รูปที่ 2: การแสดงภาพความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานพัลส์ อัตราการทำซ้ำ และกำลังเฉลี่ยของเลเซอร์พัลส์
โดยทั่วไปแล้วเลเซอร์ที่มีกำลังและพลังงานสูงจะมีราคาแพงกว่าและสร้างความร้อนเสียได้มากกว่า การรักษาคุณภาพลำแสงสูงยังทำได้ยากขึ้นเรื่อยๆ เมื่อกำลังและพลังงานเพิ่มขึ้น
3: ระยะเวลาของพัลส์ (หน่วยทั่วไป: fs ถึง ms)
ระยะเวลาของพัลส์เลเซอร์หรือความกว้างของพัลส์มักถูกกำหนดให้เป็นความกว้างเต็มที่ครึ่งหนึ่งของค่าสูงสุด (FWHM) ของกำลังแสงเลเซอร์เทียบกับเวลา (รูปที่ 3) เลเซอร์ความเร็วสูงมีข้อดีมากมายในการใช้งานต่างๆ รวมถึงการประมวลผลวัสดุที่มีความแม่นยำและเลเซอร์ทางการแพทย์ เลเซอร์ประเภทนี้มีลักษณะเฉพาะคือมีระยะเวลาพัลส์สั้นในระดับพิโควินาที (10-12 วินาที) ถึงแอตโตวินาที (10-18 วินาทีหรือน้อยกว่า)
P(W)
1/อัตราการทำซ้ำ
ซื้อเวลาบัญชีสาธารณะ
รูปที่ 3: พัลส์ของเลเซอร์แบบพัลส์จะแยกจากกันตามเวลาโดยค่าผกผันของอัตราการทำซ้ำ
4: อัตราการทำซ้ำ (หน่วยทั่วไป: เฮิรตซ์ถึงเมกะเฮิรตซ์)
อัตราการทำซ้ำหรือความถี่การทำซ้ำของพัลส์เลเซอร์แบบพัลส์จะอธิบายจำนวนพัลส์ที่ปล่อยออกมาต่อวินาทีหรือช่วงเวลาพัลส์ผกผัน (รูปที่ 3) ดังที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ อัตราการทำซ้ำจะแปรผกผันกับพลังงานพัลส์และแปรผันโดยตรงกับกำลังเฉลี่ย แม้ว่าอัตราการทำซ้ำโดยทั่วไปจะขึ้นอยู่กับตัวกลางของอัตราขยายของเลเซอร์ แต่ก็สามารถเปลี่ยนแปลงได้ในหลายกรณี อัตราการทำซ้ำที่สูงขึ้นส่งผลให้เวลาผ่อนคลายความร้อนที่พื้นผิวของออปติกเลเซอร์และที่โฟกัสสุดท้ายสั้นลง ซึ่งส่งผลให้วัสดุได้รับความร้อนเร็วขึ้น
5: ความยาวสอดคล้อง (หน่วยทั่วไป: มิลลิเมตรเป็นเมตร)
เลเซอร์มีความสอดคล้องกัน ซึ่งหมายความว่ากระแสไฟฟ้าในเวลาหรือตำแหน่งต่างๆ จะมีความสอดคล้องกัน ค่าเฟสของสนามไฟฟ้าจะมีความสัมพันธ์กันอย่างคงที่ นั่นเป็นเพราะว่าเลเซอร์ไม่เหมือนกับแหล่งกำเนิดแสงประเภทอื่นๆ ส่วนใหญ่ เกิดจากการแผ่รังสีที่ถูกกระตุ้น ความยาวความสอดคล้องกันจะกำหนดระยะทางที่ความสอดคล้องกันตามเวลาของแสงเลเซอร์จะคงที่ตลอดการแพร่กระจายของแสงเลเซอร์ โดยไม่เกิดการเสื่อมสภาพในระหว่างกระบวนการ
6: โพลาไรเซชัน
โพลาไรเซชันกำหนดทิศทางของสนามไฟฟ้าของคลื่นแสง "มันจะตั้งฉากกับทิศทางการแพร่กระจายเสมอ ในกรณีส่วนใหญ่ แสงเลเซอร์จะโพลาไรซ์เชิงเส้น ซึ่งหมายความว่าสนามไฟฟ้าที่ปล่อยออกมาจะชี้ไปในทิศทางเดียวกันเสมอ แสงที่ไม่โพลาไรซ์จะมีสนามไฟฟ้าชี้ไปในทิศทางต่างๆ มากมาย ระดับของโพลาไรซ์มักจะแสดงเป็นอัตราส่วนของกำลังแสงของสถานะโพลาไรซ์ตั้งฉากสองสถานะ เช่น 100:1 หรือ 500:1
พารามิเตอร์ลำแสง
พารามิเตอร์ต่อไปนี้จะกำหนดลักษณะรูปร่างและคุณภาพของลำแสงเลเซอร์
7: เส้นผ่านศูนย์กลางลำแสง (หน่วยทั่วไป: มม. ถึง ซม.)
เส้นผ่านศูนย์กลางลำแสงของเลเซอร์จะบ่งบอกถึงการขยายด้านข้างของลำแสงหรือขนาดทางกายภาพของลำแสงที่ตั้งฉากกับทิศทางการแพร่กระจาย โดยปกติแล้วจะกำหนดให้เป็นความกว้าง 1/e2 ซึ่งเป็นความกว้างของความเข้มของลำแสงจนถึง 1/e2 (=13.5%) ที่จุด 1/e2 ความเข้มของสนามไฟฟ้าจะลดลงเหลือ 1/e (=37%) ยิ่งเส้นผ่านศูนย์กลางลำแสงมีขนาดใหญ่ขึ้น ออปติกและระบบทั้งหมดก็ต้องมีขนาดใหญ่ขึ้นเพื่อหลีกเลี่ยงการตัดทอนลำแสงซึ่งจะเพิ่มต้นทุน อย่างไรก็ตาม การลดเส้นผ่านศูนย์กลางลำแสงจะเพิ่มความหนาแน่นของกำลัง/พลังงาน ซึ่งอาจส่งผลเสียได้เช่นกัน
8: กำลังหรือความหนาแน่นของพลังงาน (หน่วยทั่วไป: W/cm2 ถึง MWicm2 หรือ uJ/cm2 ถึง J/cm2)
เส้นผ่านศูนย์กลางลำแสงสัมพันธ์กับความหนาแน่นของกำลัง/พลังงานของลำแสงเลเซอร์ ความหนาแน่นของพลังงานหรือปริมาณกำลังแสง/พลังงานต่อหน่วยพื้นที่ ยิ่งเส้นผ่านศูนย์กลางลำแสงมีขนาดใหญ่ ความหนาแน่นของกำลัง/พลังงานของลำแสงก็จะยิ่งลดลงสำหรับกำลังหรือพลังงานคงที่ ความหนาแน่นของกำลัง/พลังงานสูงมักเป็นที่ต้องการในผลลัพธ์สุดท้ายของระบบ (เช่น ในการตัดด้วยเลเซอร์หรือการเชื่อม) แต่ความเข้มข้นของกำลัง/พลังงานต่ำมักเป็นประโยชน์ภายในระบบเพื่อป้องกันความเสียหายที่เกิดจากเลเซอร์ นอกจากนี้ยังป้องกันไม่ให้บริเวณที่มีกำลัง/พลังงานสูงของลำแสงสร้างไอออนในอากาศ ด้วยเหตุผลเหล่านี้และเหตุผลอื่นๆ จึงมักใช้เครื่องขยายลำแสงเลเซอร์เพื่อเพิ่มเส้นผ่านศูนย์กลางและลดความหนาแน่นของกำลัง/พลังงานภายในระบบเลเซอร์ อย่างไรก็ตาม ต้องระวังไม่ให้ลำแสงขยายมากเกินไปจนถูกปิดกั้นจากช่องเปิดในระบบ ส่งผลให้พลังงานสูญเปล่าและอาจเกิดความเสียหายได้
9: โปรไฟล์คาน
โปรไฟล์ลำแสงของเลเซอร์จะอธิบายความเข้มที่กระจายตัวไปตามหน้าตัดของลำแสง โปรไฟล์ลำแสงทั่วไปได้แก่ ลำแสงแบบเกาส์เซียนและลำแสงแบบด้านบนแบน ซึ่งโปรไฟล์ลำแสงจะปฏิบัติตามฟังก์ชันเกาส์เซียนและฟังก์ชันด้านบนแบนตามลำดับ (รูปที่ 4) อย่างไรก็ตาม เลเซอร์ไม่สามารถผลิตลำแสงแบบเกาส์เซียนหรือด้านบนแบนอย่างสมบูรณ์ได้ด้วยโปรไฟล์ลำแสงที่ตรงกับฟังก์ชันลักษณะเฉพาะของลำแสงได้อย่างแน่นอน เนื่องจากจุดร้อนหรือความผันผวนภายในเลเซอร์จะมีค่าคงที่อยู่เสมอ ความแตกต่างระหว่างโปรไฟล์ลำแสงจริงของเลเซอร์และโปรไฟล์ลำแสงในอุดมคติ มักจะอธิบายด้วยหน่วยเมตริกต่างๆ เช่น ปัจจัย M2 ของเลเซอร์
โปรไฟล์คานด้านบนแบบเกาส์เซียนและแบบแบน
รูปที่ 4: การเปรียบเทียบโปรไฟล์ของคานแบบเกาส์เซียนกับคานด้านบนแบนที่มีกำลังหรือความเข้มข้นเฉลี่ยเท่ากัน แสดงให้เห็นว่าความเข้มข้นสูงสุดของคานแบบเกาส์เซียนมีค่าเป็นสองเท่าของคานด้านบนแบน
10: การแยกตัว (หน่วยทั่วไป: mrad)
แม้ว่าลำแสงเลเซอร์มักถูกมองว่าเป็นแบบขนาน แต่ลำแสงเหล่านี้มักจะมีการแยกออกจากกันในระดับหนึ่ง ซึ่งอธิบายถึงระดับที่ลำแสงแยกออกจากกันเมื่ออยู่ห่างจากเอวของลำแสงเลเซอร์มากขึ้นเนื่องจากการเลี้ยวเบนแสง ในการใช้งานที่มีระยะทางการทำงานไกล เช่น ระบบ LiDAR ซึ่งวัตถุอาจอยู่ห่างจากระบบเลเซอร์หลายร้อยเมตร การแยกออกจากกันจึงกลายเป็นปัญหาที่สำคัญโดยเฉพาะ การแยกออกจากกันของลำแสงมักจะถูกกำหนดโดยมุมครึ่งหนึ่งของเลเซอร์ และการแยกออกจากกันของลำแสงแบบเกาส์เซียน (0) ถูกกำหนดดังนี้:
W คือความยาวคลื่นของเลเซอร์และ w0 คือเอวของลำแสงเลเซอร์
พารามิเตอร์ระบบขั้นสุดท้าย
พารามิเตอร์สุดท้ายเหล่านี้อธิบายประสิทธิภาพการทำงานของระบบเลเซอร์ที่เอาต์พุต
11: ขนาดจุด (หน่วยทั่วไป: ไมโครเมตร)
ขนาดจุดของลำแสงเลเซอร์ที่โฟกัสจะอธิบายเส้นผ่านศูนย์กลางของลำแสงที่จุดโฟกัสของระบบเลนส์โฟกัส ในแอปพลิเคชันต่างๆ เช่น การประมวลผลวัสดุและการผ่าตัดทางการแพทย์ เป้าหมายคือการลดขนาดจุดให้เหลือน้อยที่สุด ซึ่งจะช่วยเพิ่มความหนาแน่นของพลังงานให้สูงสุดและช่วยให้สร้างคุณสมบัติที่ละเอียดเป็นพิเศษได้ (รูปที่ 5) เลนส์แอสเฟอริกมักใช้แทนเลนส์ทรงกลมแบบดั้งเดิมเพื่อลดความคลาดทรงกลมและสร้างขนาดจุดโฟกัสที่เล็กลง ระบบเลเซอร์บางประเภทไม่สามารถโฟกัสเลเซอร์ไปที่จุดได้ในที่สุด ซึ่งในกรณีนี้พารามิเตอร์นี้จะไม่ใช้
รูปที่ 5: การทดลองไมโครแมชชีนนิ่งเลเซอร์ที่สถาบันเทคโนโลยีแห่งอิตาลีแสดงให้เห็นการเพิ่มขึ้น 10- เท่าในประสิทธิภาพการขจัดออกในระบบการเจาะด้วยเลเซอร์นาโนวินาทีเมื่อขนาดจุดลดลงจาก 220 ไมโครเมตรเป็น 9 ไมโครเมตรที่อัตราการไหลคงที่
12: ระยะการทำงาน (หน่วยทั่วไป: ไมโครเมตร ถึง ม.)
ระยะการทำงานของระบบเลเซอร์โดยทั่วไปจะถูกกำหนดให้เป็นระยะทางทางกายภาพจากองค์ประกอบออปติกสุดท้าย (โดยปกติคือเลนส์โฟกัส) ไปยังวัตถุหรือพื้นผิวที่เลเซอร์โฟกัสอยู่ การใช้งานบางอย่าง เช่น เลเซอร์ทางการแพทย์ มักจะพยายามลดระยะการทำงานให้เหลือน้อยที่สุด ในขณะที่การใช้งานอื่นๆ เช่น การสำรวจระยะไกล มักจะพยายามเพิ่มระยะการทำงานให้สูงสุด
