Grundlegende Parameter des Lasersystems

Grundlegende Parameter desLasersystem

In zahlreichen Anwendungsbereichen wie der Materialbearbeitung, der Laserchirurgie und der Fernerkundung gibt es zwar viele verschiedene Lasersysteme, diese weisen jedoch häufig gemeinsame Kernparameter auf. Die Etablierung eines einheitlichen Parameterterminologiesystems kann Missverständnisse vermeiden und Anwendern eine präzisere Auswahl und Konfiguration von Lasersystemen und -komponenten ermöglichen, um so den Anforderungen spezifischer Anwendungsfälle gerecht zu werden.

Grundlegende Parameter

Wellenlänge (gebräuchliche Einheiten: nm bis μm)

Die Wellenlänge beschreibt die Frequenzcharakteristik der von einem Laser im Raum ausgesendeten Lichtwellen. Unterschiedliche Anwendungsszenarien stellen unterschiedliche Anforderungen an die Wellenlänge: In der Materialbearbeitung variiert die Absorptionsrate von Materialien für bestimmte Wellenlängen, was den Bearbeitungseffekt beeinflusst. In der Fernerkundung gibt es Unterschiede in der Absorption und Interferenz verschiedener Wellenlängen durch die Atmosphäre. In der Medizin variiert die Absorption von Laserlicht durch Menschen unterschiedlicher Hautfarbe ebenfalls in Abhängigkeit von der Wellenlänge. Aufgrund des kleineren Fokusflecks sind Laser mit kürzeren Wellenlängen undLaseroptische GeräteSie bieten Vorteile bei der Herstellung kleiner und präziser Strukturen und erzeugen nur geringe Randerwärmung. Im Vergleich zu Lasern mit längeren Wellenlängen sind sie jedoch in der Regel teurer und anfälliger für Beschädigungen.

2. Leistung und Energie (Gebräuchliche Einheiten: W oder J)

Die Laserleistung wird üblicherweise in Watt (W) gemessen und dient zur Bestimmung der Ausgangsleistung von Dauerstrichlasern oder der mittleren Leistung von Pulslasern. Bei Pulslasern ist die Energie eines einzelnen Pulses direkt proportional zur mittleren Leistung und umgekehrt proportional zur Wiederholfrequenz; die Einheit ist Joule (J). Je höher die Leistung bzw. Energie, desto höher sind in der Regel die Kosten des Lasers, desto größer ist der Bedarf an Wärmeabfuhr und desto schwieriger wird es, eine gute Strahlqualität zu gewährleisten.

Impulsenergie = mittlere Leistungswiederholungsrate

3. Impulsdauer (Gebräuchliche Einheiten: fs bis ms)

Die Dauer eines Laserpulses, auch Pulsbreite genannt, ist im Allgemeinen als die Zeit definiert, die der Laserpuls benötigt, um ein Lichtsignal auszusenden.LaserDie Leistung steigt auf die Hälfte ihres Spitzenwerts (FWHM) (Abbildung 1). Die Pulsdauer von Ultrakurzpulslasern ist extrem kurz und liegt typischerweise im Bereich von Pikosekunden (10⁻¹² Sekunden) bis Attosekunden (10⁻¹⁸ Sekunden).

4. Wiederholrate (Gebräuchliche Einheiten: Hz bis MHz)

Die Wiederholungsrate einesgepulster LaserDie Pulsfolgefrequenz (Pulswiederholfrequenz) beschreibt die Anzahl der pro Sekunde ausgesendeten Pulse und ist somit der Kehrwert des Pulsabstands (Abbildung 1). Wie bereits erwähnt, ist die Wiederholfrequenz umgekehrt proportional zur Pulsenergie und direkt proportional zur mittleren Leistung. Obwohl die Wiederholfrequenz üblicherweise vom Lasermedium abhängt, kann sie in vielen Fällen variieren. Je höher die Wiederholfrequenz, desto kürzer ist die thermische Relaxationszeit der Oberfläche des optischen Laserelements und des fokussierten Bereichs, wodurch sich das Material schneller erwärmt.

5. Kohärenzlänge (Gebräuchliche Einheiten: mm bis cm)

Laser besitzen Kohärenz, d. h., es besteht eine feste Beziehung zwischen den Phasenwerten des elektrischen Feldes zu verschiedenen Zeitpunkten oder an verschiedenen Orten. Dies liegt daran, dass Laser durch stimulierte Emission erzeugt werden, was sie von den meisten anderen Lichtquellen unterscheidet. Während der Ausbreitung nimmt die Kohärenz allmählich ab, und die Kohärenzlänge des Lasers definiert die Distanz, über die seine zeitliche Kohärenz einen bestimmten Wert beibehält.

6. Polarisation

Die Polarisation definiert die Richtung des elektrischen Feldes von Lichtwellen, das stets senkrecht zur Ausbreitungsrichtung verläuft. Laser sind in den meisten Fällen linear polarisiert, d. h. das emittierte elektrische Feld zeigt immer in dieselbe Richtung. Unpolarisiertes Licht erzeugt elektrische Felder in viele verschiedene Richtungen. Der Polarisationsgrad wird üblicherweise als Verhältnis der optischen Leistung zweier orthogonaler Polarisationszustände angegeben, beispielsweise 100:1 oder 500:1.