Existe una amplia gama de sistemas láser de uso general en diversas aplicaciones, como procesamiento de materiales, cirugía láser y detección remota, pero muchos sistemas láser comparten parámetros clave en común. Establecer términos comunes para estos parámetros evita la mala comunicación y comprenderlos permite especificar correctamente el sistema láser y los componentes para cumplir con los requisitos de la aplicación.
Parametros basicos
Los siguientes parámetros básicos son los conceptos más básicos de los sistemas láser y también son fundamentales para comprender puntos más avanzados.
1. Longitud de onda(Unidades típicas: nm/um)
La longitud de onda del láser describe la frecuencia espacial de la onda luminosa emitida. Diferentes materiales tendrán propiedades de absorción únicas dependientes de la longitud de onda en el procesamiento de materiales, lo que dará como resultado diferentes interacciones con el material. De manera similar, la absorción y la interferencia atmosférica tendrán diferentes efectos en ciertas longitudes de onda en la teledetección, y en aplicaciones de láser médico, varios complejos tendrán diferente absorción en ciertas longitudes de onda. Los láseres de longitud de onda más corta y la óptica láser facilitan la creación de características pequeñas y precisas con un calentamiento periférico mínimo porque el punto focal es más pequeño. Sin embargo, generalmente son más caros y más propensos a sufrir daños que los láseres de longitud de onda más larga.
2. Poder y energía(Unidades típicas: W/J)
La potencia de un láser se mide en vatios (W) y se utiliza para describir la potencia óptica de salida de un láser de onda continua (CW) o la potencia promedio de un láser pulsado. Los láseres pulsados también se caracterizan por su energía pulsada, que es proporcional a la potencia media e inversamente proporcional a la tasa de repetición del láser. La energía se mide en julios (J).
Los láseres de mayor potencia y energía son generalmente más caros y producen más calor residual. A medida que aumentan la potencia y la energía, resulta cada vez más difícil mantener la calidad de las luces altas.
3. Duración del pulso(Unidades típicas: fs/ms)
La duración o ancho del pulso láser generalmente se define como el ancho medio pico completo (FWHM) de la potencia y el tiempo de la luz láser. Los láseres ultrarrápidos tienen muchas ventajas en una variedad de aplicaciones, incluido el procesamiento de materiales de precisión y los láseres médicos, y se caracterizan por duraciones de pulso cortas de aproximadamente picosegundos (10-12 segundos) a attosegundos (10-18 segundos).
4. Tasa de repetición(Unidades típicas: Hz/MHz)
La tasa de repetición o tasa de repetición de pulsos de un láser pulsado describe el número de pulsos emitidos por segundo o el intervalo de pulso en tiempo inverso. Como se mencionó anteriormente, la tasa de repetición es inversamente proporcional a la energía del pulso y proporcional a la potencia promedio. Aunque la tasa de repetición suele depender del medio de ganancia del láser, puede variar en muchos casos. La mayor tasa de repetición da como resultado un tiempo de relajación térmica más corto para la superficie y el enfoque final de la óptica del láser, lo que conduce a un calentamiento más rápido del material.
5. Longitud de coherencia(Unidades típicas: mm/m)
Los láseres son coherentes, lo que significa que existe una relación fija entre los valores de fase del campo eléctrico en diferentes momentos o ubicaciones. Esto se debe a que, a diferencia de la mayoría de los otros tipos de fuentes de luz, la luz láser se produce mediante emisión estimulada. La coherencia se degrada durante la propagación. , y la longitud de coherencia de un láser define la distancia a la que la coherencia temporal del láser permanece de una determinada calidad.
6. Polarización
La polarización define la dirección del campo eléctrico de una onda luminosa, que siempre es perpendicular a la dirección de propagación. En la mayoría de los casos, el láser estará polarizado linealmente, lo que significa que el campo eléctrico emitido siempre apunta en la misma dirección. La luz no polarizada tendrá campos eléctricos apuntando en muchas direcciones diferentes. La polarización suele expresarse como la relación entre la intensidad focal de la luz en dos estados de polarización ortogonales, como 100:1 o 500:1.
Parámetros del haz
Los siguientes parámetros caracterizan la forma y calidad del rayo láser.
7. Diámetro del haz(Unidades típicas: mm/cm)
El diámetro del haz de un láser caracteriza la extensión transversal del haz, o su tamaño físico perpendicular a la dirección de propagación. Generalmente se define como un ancho de 1/e2, que se define cuando la intensidad del haz alcanza 1/e2 (≈ 13,5%). En 1/e2, la intensidad del campo cae a 1/e (≈ 37%). Cuanto mayor sea el diámetro del haz, mayores deben ser la óptica y el sistema en general para evitar que el haz se trunque, aumentando así el coste. Sin embargo, una reducción del diámetro del haz aumenta la densidad de potencia/energía, lo que también puede ser perjudicial.
8. Potencia o densidad de energía(Unidades típicas: W/cm2, MW/cm2 o µJ/cm2, J/cm2)
El diámetro del haz está relacionado con la densidad de potencia/energía del rayo láser o la potencia/energía óptica por unidad de área. Cuanto mayor sea el diámetro del haz, menor será la densidad de potencia/energía de un haz con potencia o energía constante. En el resultado final de un sistema (por ejemplo, en corte o soldadura por láser), una alta densidad de potencia/energía suele ser ideal, pero dentro del sistema, una baja concentración de potencia/energía suele ser beneficiosa para evitar daños inducidos por el láser. Esto también evita que la región de alta potencia/densidad de energía del haz ionice el aire. Por estas razones, entre otras, los extensores del rayo láser se utilizan a menudo para aumentar el diámetro, reduciendo así la densidad de potencia/energía dentro del sistema láser. Sin embargo, se debe tener cuidado de no expandir demasiado el haz para que quede obstruido por los poros del sistema, lo que provocaría un desperdicio de energía y posibles daños.
9. Perfil de viga
El perfil del haz de un láser describe la distribución de intensidad a lo largo de la sección transversal del haz. Los perfiles de viga comunes incluyen vigas gaussianas y vigas de parte superior plana, cuyos perfiles de viga siguen la función gaussiana y la función de parte superior plana respectivamente. Sin embargo, ningún láser puede producir un haz superior perfectamente gaussiano o perfectamente plano cuyo perfil de haz coincida exactamente con su función característica, porque siempre hay un cierto número de puntos calientes o fluctuaciones dentro del láser. La diferencia entre el perfil de haz real de un láser y el perfil de haz ideal generalmente se describe mediante una métrica que incluye el factor M2 del láser.
10. Divergencia(unidad típica: mrad)
Aunque generalmente se piensa que los rayos láser son colimadores, siempre contienen una cierta cantidad de divergencia, que describe el grado en que el rayo diverge a una distancia cada vez mayor desde la cintura del rayo láser debido a la difracción. En aplicaciones con largas distancias de trabajo, como los sistemas LiDAR, donde los objetos pueden estar a cientos de metros del sistema láser, la divergencia se convierte en un problema particularmente importante. La divergencia del haz generalmente se define por la mitad del ángulo del láser y la divergencia (θ) de un haz gaussiano se define como:
θ═λ/πw0
λ es la longitud de onda del láser y w0 es la cintura del láser.
Estos parámetros finales describen el rendimiento del sistema láser en la salida.
11. Tamaño del punto(Unidad típica: µm)
El tamaño del punto del rayo láser enfocado describe el diámetro del rayo en el punto focal del sistema de lentes de enfoque. En muchas aplicaciones, como el procesamiento de materiales y la cirugía médica, el objetivo es minimizar el tamaño del punto. Esto maximiza la densidad de potencia y permite la creación de características particularmente detalladas. A menudo se utilizan lentes asféricas en lugar de las lentes esféricas tradicionales para reducir las aberraciones esféricas y producir un tamaño de punto focal más pequeño. Algunos tipos de sistemas láser no terminan de enfocar el láser en el lugar, en cuyo caso este parámetro no se aplica.
12. Distancia de trabajo(unidad típica: µm/m)
La distancia de trabajo de un sistema láser generalmente se define como la distancia física desde el elemento óptico final (generalmente una lente de enfoque) hasta el objeto o superficie en la que se enfoca el láser. Algunas aplicaciones, como los láseres médicos, a menudo buscan minimizar la distancia de trabajo, mientras que otras aplicaciones, como la detección remota, a menudo buscan maximizar su rango de distancia de trabajo.
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