Existe una amplia gama de sistemas láser comunes para una variedad de aplicaciones, incluido el procesamiento de materiales, la cirugía láser y la detección remota, pero muchos sistemas láser comparten parámetros clave comunes. Establecer una terminología común para estos parámetros evita la mala comunicación y comprenderlos permite la especificación adecuada de los sistemas y componentes láser para cumplir con los requisitos de la aplicación.
Figura 1: Esquema de un sistema de procesamiento de materiales con láser común, donde cada uno de los 10 parámetros clave de un sistema láser está representado por un número correspondiente
Parametros basicos
Los siguientes parámetros básicos son los conceptos más fundamentales de un sistema láser y son esenciales para comprender los puntos más avanzados.
1: Longitud de onda (unidades típicas: nm a µm)
La longitud de onda de un láser describe la frecuencia espacial de la onda luminosa emitida. La longitud de onda óptima para un caso de uso determinado depende en gran medida de la aplicación. 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 atmosféricas afectarán de manera diferente a ciertas longitudes de onda en la detección remota, y varios complejos absorberán ciertas longitudes de onda de manera diferente en las aplicaciones de láseres médicos. 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, suelen ser más caros y se dañan más fácilmente que los láseres de longitud de onda más larga.
2: Potencia y Energía (unidades típicas: W o J)
La potencia de un láser se mide en vatios (W) y se utiliza para caracterizar 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 de pulso, que es proporcional a la potencia promedio e inversamente proporcional a la tasa de repetición del láser (Figura 2). La energía se mide en julios (J).
Figura 2: Representación visual de la relación entre la energía del pulso, la tasa de repetición y la potencia promedio de un láser pulsado.
Los láseres de mayor potencia y energía suelen ser más caros y producen más calor residual. Mantener la calidad de las luces altas también se vuelve más difícil a medida que aumenta la potencia y la energía.
3: Duración del pulso (unidades típicas: fs a ms)
La duración o ancho del pulso láser generalmente se define como el ancho total a la mitad del máximo (FWHM) de la potencia de la luz láser versus el tiempo (Figura 3). Los láseres ultrarrápidos ofrecen muchas ventajas en una variedad de aplicaciones, incluido el procesamiento de materiales de precisión y láseres médicos, y se caracterizan por duraciones de pulso cortas de aproximadamente picosegundos (10-12 segundos) a attosegundos (10-18 segundos).
Figura 3: Pulsos de láser pulsados separados en el tiempo por el recíproco de la tasa de repetición
4: Tasa de repetición (unidades típicas: Hz a MHz)
La tasa de repetición o frecuencia de repetición de pulsos de un láser pulsado describe el número de pulsos emitidos por segundo o el intervalo de pulso de tiempo inverso (Figura 3). Como se mencionó anteriormente, la tasa de repetición es inversamente proporcional a la energía del pulso y directamente proporcional a la potencia promedio. Si bien la tasa de repetición generalmente depende del medio de ganancia del láser, puede variar en muchos casos. Unas tasas de repetición más altas dan como resultado tiempos de relajación térmica más cortos en la superficie de la óptica del láser y en el punto de enfoque final, lo que conduce a un calentamiento del material más rápido.
5: Longitud de coherencia (unidades típicas: milímetros a metros)
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, los láseres se producen mediante emisión excitada. La coherencia se degrada a lo largo del proceso de propagación, y la longitud de coherencia de un láser define una distancia sobre la cual la coherencia temporal del láser se mantiene con 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 un campo eléctrico que apunta en muchas direcciones diferentes. El grado de polarización suele expresarse como la relación de las distancias focales de la luz en dos estados polarizados ortogonalmente, por ejemplo 100:1 o 500:1.
Parámetros del haz
Los siguientes parámetros caracterizan la forma y calidad de un rayo láser.
7: Diámetro de la viga (unidades típicas: mm a cm)
El diámetro del haz de un láser caracteriza la extensión lateral del haz, o su dimensión física perpendicular a la dirección de propagación. Generalmente se define como la anchura 1/e2, que se alcanza con la intensidad del haz en 1/e2 (≈ 13,5%). En el punto 1/e2, la intensidad del campo eléctrico cae a 1/e (≈ 37%). Cuanto mayor sea el diámetro del haz, mayor debe ser la óptica y todo el sistema para evitar el truncamiento del haz, lo que aumenta el coste. Sin embargo, una reducción en el 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 a MW/cm2 o µJ/cm2 a J/cm2)
El diámetro del haz se relaciona 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 la salida final del sistema (por ejemplo, en corte o soldadura por láser), a menudo es deseable una alta densidad de potencia/energía, pero dentro del sistema, una baja concentración de potencia/energía suele ser beneficiosa para evitar daños inducidos por el láser. Esto también evita la ionización del aire en la región de alta densidad de potencia/energía del haz. Por estas razones, entre otras, a menudo se utilizan expansores del rayo láser para aumentar el diámetro y reducir así la densidad de potencia/energía dentro del sistema láser. Sin embargo, se debe tener cuidado de no expandir el haz tanto que quede oculto por las aberturas 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 intensidad distribuida en la sección transversal del haz. Los perfiles de vigas comunes incluyen vigas gaussianas y de superficie plana, cuyos perfiles de viga siguen las funciones gaussiana y de superficie plana, respectivamente (Figura 4). Sin embargo, ningún láser puede producir un haz superior completamente gaussiano o completamente plano con un perfil de haz que coincida exactamente con su función propia, 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.
Figura 4: Una comparación del perfil del haz de un haz gaussiano con la misma potencia o intensidad promedio y un haz de superficie plana muestra que la intensidad máxima del haz gaussiano es el doble que la del haz de superficie plana.
10: Divergencia (unidades típicas: mrad)
Aunque los rayos láser generalmente se consideran colimados, siempre contienen una cierta cantidad de divergencia, que describe el grado en que el rayo diverge a distancias crecientes de la cintura del rayo láser debido a la difracción. En aplicaciones con largas distancias operativas, como los sistemas LIDAR, donde los objetos pueden estar a cientos de metros de distancia del sistema láser, la divergencia se convierte en un tema particularmente importante. La divergencia del haz generalmente se define por el medio ángulo del láser y la divergencia (θ) de un haz gaussiano se define como:
Imagen.
λ es la longitud de onda del láser y w0 es la cintura del haz del láser.
Parámetros finales del sistema
Estos parámetros finales describen el rendimiento del sistema láser en la salida.
11: Tamaño del punto (unidad típica: µm)
El tamaño del punto de un 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 excepcionalmente finas. Las lentes asféricas se utilizan a menudo en lugar de las lentes esféricas tradicionales para minimizar la aberración esférica y producir tamaños de puntos focales más pequeños. Algunos tipos de sistemas láser finalmente no enfocan el láser en el lugar, en cuyo caso este parámetro no se aplica.
12: Distancia de trabajo (unidades típicas: µm a m)
La distancia de trabajo de un sistema láser generalmente se define como la distancia física desde el elemento óptico final (generalmente la lente de enfoque) hasta el objeto o superficie en la que se enfoca el láser. Ciertas aplicaciones, como los láseres médicos, normalmente buscan minimizar la distancia de trabajo, mientras que otras aplicaciones, como la detección remota, generalmente buscan maximizar su rango de distancia de trabajo.
