Há uma ampla gama de sistemas de laser comuns usados em uma variedade de aplicações, como processamento de materiais, cirurgia a laser e sensoriamento remoto, mas muitos sistemas de laser têm parâmetros-chave comuns. Estabelecer uma terminologia comum para esses parâmetros previne erros de comunicação, e entendê-los permite que o sistema de laser e os componentes sejam especificados corretamente para atender aos requisitos da aplicação.
Figura 1: Diagrama esquemático de um sistema comum de processamento de material a laser, onde cada um dos 10 parâmetros principais do sistema a laser é representado por um número correspondente
Parâmetros básicos
Os seguintes parâmetros básicos são os conceitos mais básicos dos sistemas laser e também são essenciais para a compreensão de pontos mais avançados
1: Comprimento de onda (unidades típicas: nm a um)
O comprimento de onda de um laser descreve a frequência espacial da onda de luz emitida. O comprimento de onda ideal para um determinado caso de uso é altamente dependente da aplicação. Diferentes materiais terão propriedades de absorção dependentes do comprimento de onda exclusivas no processamento do material, resultando em diferentes interações com o material. Da mesma forma, a absorção e a interferência atmosférica afetarão certos comprimentos de onda de forma diferente no sensoriamento remoto, e vários complexos absorverão certos comprimentos de onda de forma diferente em aplicações médicas de laser. Lasers de comprimento de onda mais curto e óptica de laser são benéficos para criar recursos pequenos e precisos com aquecimento periférico mínimo porque o ponto focal é menor. No entanto, eles são geralmente mais caros e mais suscetíveis a danos do que lasers de comprimento de onda mais longo.
2: Potência e Energia (Unidades Típicas: W ou J)
A potência de um laser é medida em Watts (W) e é usada para descrever a saída de potência óptica de um laser de onda contínua (CW) ou a potência média de um laser pulsado. Os lasers pulsados também são caracterizados por sua energia de pulso, que é proporcional à potência média e inversamente proporcional à taxa de repetição do laser (Figura 2). A energia é medida em Joules (J).
Figura 2: Representação visual da relação entre energia de pulso, taxa de repetição e potência média de um laser pulsado
Lasers de maior potência e energia são geralmente mais caros e geram mais calor residual. Manter alta qualidade do feixe também se torna cada vez mais difícil conforme a potência e a energia aumentam.
3: Duração do pulso (unidades típicas: fs a ms)
A duração do pulso do laser ou largura do pulso é geralmente definida como a largura total na metade do máximo (FWHM) da potência óptica do laser versus tempo (Figura 3). Os lasers ultrarrápidos oferecem muitas vantagens em uma variedade de aplicações, incluindo processamento de materiais de precisão e lasers médicos. Eles são caracterizados por durações curtas de pulso da ordem de picossegundos (10-12 segundos) a attosegundos (10-18 e menos
P(W)
1/Taxa de repetição
Tempo(s) de compra de conta pública
Figura 3: Os pulsos de um laser pulsado são separados no tempo pelo inverso da taxa de repetição
4: Taxa de repetição (unidades típicas: Hz a MHz)
A taxa de repetição ou frequência de repetição de pulso de um laser pulsado descreve o número de pulsos emitidos por segundo ou o intervalo de pulso de tempo inverso (Figura 3). Como mencionado anteriormente, a taxa de repetição é inversamente proporcional à energia do pulso e diretamente proporcional à potência média. Embora a taxa de repetição seja geralmente dependente do meio de ganho do laser, ela pode variar em muitos casos. Taxas de repetição mais altas resultam em tempos de relaxamento térmico mais curtos na superfície da óptica do laser e no foco final, o que resulta em aquecimento mais rápido do material.
5: Comprimento de coerência (unidades típicas: milímetros a metros)
O laser é coerente, o que significa que correntes elétricas em diferentes momentos ou locais são coerentes. Há uma relação fixa entre os valores de fase do campo. Isso ocorre porque os lasers, diferentemente da maioria dos outros tipos de fontes de luz, são produzidos por emissão estimulada. O comprimento de coerência define uma distância sobre a qual a coerência temporal da luz do laser permanece constante durante toda a propagação da luz do laser, sem degradação durante o processo.
6: Polarização
A polarização define a direção do campo elétrico da onda de luz, "é sempre perpendicular à direção de propagação. Na maioria dos casos, a luz do laser será polarizada linearmente, o que significa que o campo elétrico emitido sempre aponta na mesma direção. A luz não polarizada terá um campo elétrico apontando em muitas direções diferentes. O grau de polarização é geralmente expresso como a razão da potência óptica de dois estados de polarização ortogonais, como 100:1 ou 500:1.
Parâmetros do feixe
Os seguintes parâmetros caracterizam a forma e a qualidade do feixe de laser.
7: Diâmetro do feixe (unidades típicas: mm a cm)
O diâmetro do feixe de um laser caracteriza a extensão lateral do feixe, ou seu tamanho físico perpendicular à direção de propagação. Geralmente é definido como a largura 1/e2, que é a largura da intensidade do feixe até 1/e2 (=13.5%). No ponto 1/e2, a intensidade do campo elétrico cai para 1/e (=37%). Quanto maior o diâmetro do feixe, maior a óptica e todo o sistema precisam ser para evitar o truncamento do feixe, o que aumenta o custo. No entanto, uma redução no diâmetro do feixe aumenta a densidade de potência/energia, o que também pode ser prejudicial.
8: Densidade de potência ou energia (unidades típicas: W/cm2 a MWicm2 ou uJ/cm2 a J/cm2)
O diâmetro do feixe está relacionado à densidade de potência/energia do feixe de laser. Densidade de energia, ou a quantidade de potência/energia óptica por unidade de área. Quanto maior o diâmetro do feixe, menor a densidade de potência/energia do feixe para uma potência ou energia constante. Alta densidade de potência/energia é frequentemente desejável na saída final do sistema (por exemplo, em corte ou soldagem a laser), mas baixas concentrações de potência/energia são frequentemente benéficas dentro do sistema para evitar danos induzidos por laser. Isso também evita que as áreas de alta densidade de potência/energia do feixe ionizem o ar. Por essas razões, entre outras, os expansores de feixe de laser são frequentemente usados para aumentar o diâmetro e, assim, reduzir a densidade de potência/energia dentro do sistema de laser. No entanto, deve-se tomar cuidado para não expandir o feixe demais, de modo que ele seja bloqueado das aberturas no sistema, resultando em desperdício de energia e danos potenciais.
9: Perfil do feixe
O perfil do feixe de um laser descreve a intensidade distribuída sobre a seção transversal do feixe. Perfis de feixe comuns incluem feixes gaussianos e feixes de topo plano, cujos perfis de feixe seguem a função gaussiana e a função de topo plano, respectivamente (Figura 4). No entanto, nenhum laser pode produzir um feixe completamente gaussiano ou completamente de topo plano com um perfil de feixe que corresponda exatamente à sua função característica, porque sempre há uma certa quantidade de pontos quentes ou flutuações dentro do laser. A diferença entre o perfil de feixe real de um laser e o perfil de feixe ideal é frequentemente descrita por métricas, incluindo o fator M2 do laser
Perfis de viga superior gaussiana e plana
Figura 4: A comparação dos perfis de feixe de um feixe gaussiano e de um feixe de topo plano de igual potência ou intensidade média mostra que a intensidade de pico do feixe gaussiano é o dobro da do feixe de topo plano.
10: Divergência (unidades típicas: mrad)
Embora os feixes de laser sejam frequentemente considerados colimados, eles sempre contêm uma certa quantidade de divergência, que descreve o grau em que o feixe diverge em distâncias crescentes da cintura do feixe do laser devido à difração. Em aplicações de longa distância de trabalho, como sistemas LiDAR, onde os objetos podem estar a centenas de metros de distância do sistema de laser, a divergência se torna uma questão particularmente importante. A divergência do feixe é frequentemente definida pelo meio ângulo do laser, e a divergência de um feixe gaussiano (0) é definida como:
W é o comprimento de onda do laser e w0 é a cintura do feixe do laser
Parâmetros finais do sistema
Esses parâmetros finais descrevem o desempenho do sistema laser na saída
11: Tamanho do ponto (unidades típicas: um)
O tamanho do ponto de um feixe de laser focado descreve o diâmetro do feixe no foco do sistema de lentes de foco. Em muitas aplicações, como processamento de materiais e cirurgia médica, o objetivo é minimizar o tamanho do ponto. Isso maximiza a densidade de potência e permite a criação de características particularmente finas (Figura 5). Lentes asféricas são frequentemente usadas em vez de lentes esféricas tradicionais para reduzir aberrações esféricas e produzir tamanhos menores de pontos focais. Alguns tipos de sistemas de laser não focam o laser em um ponto, caso em que este parâmetro não se aplica.
Figura 5: Experimentos de micromaquinação a laser no Instituto Italiano de Tecnologia mostram um aumento de 10-vezes na eficiência de ablação em um sistema de perfuração a laser de nanossegundos quando o tamanho do ponto é reduzido de 220 µm para 9 µm a uma taxa de fluxo constante
12: Distância de trabalho (unidades típicas: um a m)
A distância de trabalho de um sistema laser é tipicamente definida como a distância física do elemento óptico final (geralmente uma lente de foco) até o objeto ou superfície na qual o laser é focado. Certas aplicações, como lasers médicos, tipicamente buscam minimizar a distância de trabalho, enquanto outras, como sensoriamento remoto, tipicamente visam maximizar seu alcance de distância de trabalho.
