Esiste un'ampia gamma di sistemi laser generici per varie applicazioni come 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 malintesi e la loro comprensione consente di specificare correttamente i sistemi e i componenti laser per soddisfare i requisiti applicativi.
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. Nella lavorazione dei materiali, materiali diversi hanno proprietà di assorbimento uniche dipendenti dalla lunghezza d'onda che si traducono in diverse interazioni con il materiale. Allo stesso modo, nel telerilevamento, l'assorbimento atmosferico e le interferenze possono influenzare in modo diverso determinate lunghezze d'onda e, nelle applicazioni laser mediche, vari complessi possono assorbire determinate lunghezze d'onda in modo diverso. I laser a lunghezza d'onda più corta e l'ottica laser aiutano a creare caratteristiche piccole e precise con un riscaldamento periferico minimo perché il punto focale è più piccolo. 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 descrivere la potenza ottica emessa da 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).
I laser ad alta potenza ed energia sono generalmente più costosi e producono più calore disperso. 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 solitamente 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).
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 dell'impulso temporale inverso (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 determinano tempi di rilassamento termico più brevi sulla superficie ottica del laser e sul fuoco finale, portando 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 diminuisce durante il processo di trasmissione e la lunghezza di coerenza del laser determina la distanza sulla quale la coerenza temporale del laser rimane ad una certa qualità.
6: Polarizzazione
La polarizzazione determina 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. La polarizzazione è solitamente espressa 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 dimensione fisica perpendicolare alla direzione di propagazione. Solitamente viene definita come larghezza 1/e2, cioè la larghezza 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 diminuzione del diametro del fascio aumenta la densità di potenza/energia, il che è anch’esso 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 superficie. Maggiore è il diametro del raggio, minore è la densità di potenza/energia del raggio a potenza costante o energia costante. All'uscita finale del sistema (ad esempio, nel taglio o nella saldatura laser), è solitamente richiesta un'elevata densità di potenza/energia, ma all'interno del sistema, una bassa concentrazione di potenza/energia è solitamente 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 estendere il raggio così grande da oscurarlo dall'apertura 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 comuni delle travi includono travi gaussiane e a sommità piatta, che seguono rispettivamente le funzioni gaussiana e a sommità piatta (Figura 4). Tuttavia, poiché all'interno del laser è sempre presente un certo numero di punti caldi o fluttuazioni, nessun laser può produrre un raggio completamente gaussiano o completamente piatto che sia esattamente conforme alla sua autofunzione. La differenza tra il profilo effettivo del raggio di un laser e il profilo del raggio ideale è solitamente descritta da una metrica contenente il fattore M2 del laser.
10: Divergenza (unità tipica: mrad)
Sebbene i raggi laser siano generalmente considerati collimati, contengono sempre una certa divergenza, che descrive la misura 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, dove gli oggetti possono trovarsi a centinaia di metri dal sistema laser, la divergenza diventa un problema particolarmente importante. La divergenza del raggio è solitamente definita in termini di semiangolo del laser e la divergenza (θ) di un raggio gaussiano è definita come.
λ è la lunghezza d'onda del laser e w0 è la larghezza del raggio del laser.
Parametri di sistema finali
Questi parametri finali descrivono le prestazioni del sistema laser in uscita.
11: Dimensione spot (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 (Figura 5). Le lenti asferiche vengono spesso utilizzate al posto delle lenti sferiche convenzionali per ridurre al minimo l'aberrazione sferica e produrre dimensioni del punto focale più piccole. Alcuni tipi di sistemi laser alla fine non focalizzano il laser sul punto, nel qual caso questo parametro non è applicabile.
12: Distanza di lavoro (unità tipica: da µm a m)
La distanza di lavoro di un sistema laser è generalmente definita come la distanza fisica dall'elemento ottico finale (solitamente una lente di focalizzazione) all'oggetto o alla superficie su cui è focalizzato il laser. Alcune applicazioni, come i laser medicali, spesso cercano di ridurre al minimo la distanza di lavoro, mentre altre applicazioni, come il telerilevamento, mirano spesso a massimizzare la distanza di lavoro.
