Existe una amplia gama de sistemas láser comunes que se utilizan en diversas aplicaciones, como procesamiento de materiales, cirugía láser y teledetección, pero muchos de ellos tienen parámetros clave comunes. Establecer una terminología común para estos parámetros evita errores de comunicación y comprenderlos permite especificar correctamente el sistema láser y los componentes para cumplir con los requisitos de la aplicación.
Figura 1: Diagrama esquemático de un sistema común de procesamiento de materiales mediante láser, donde cada uno de los 10 parámetros clave del sistema láser está representado por un número correspondiente.
Parámetros básicos
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 a um)
La longitud de onda de un láser describe la frecuencia espacial de la onda de luz emitida. La longitud de onda óptima para un caso de uso determinado depende en gran medida de la aplicación. Los diferentes materiales tendrán propiedades de absorción únicas que dependen de la longitud de onda en el procesamiento del material, lo que dará como resultado diferentes interacciones con el material. De manera similar, la absorción atmosférica y la interferencia afectarán ciertas longitudes de onda de manera diferente en la teledetección, y varios complejos absorberán ciertas longitudes de onda de manera diferente en aplicaciones láser médicas. Los láseres de longitud de onda más corta y la óptica láser son beneficiosos para crear características pequeñas y precisas con un calentamiento periférico mínimo porque el punto focal es más pequeño. Sin embargo, generalmente son más caros y más susceptibles a sufrir daños 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 describir la potencia óptica de salida de un láser de onda continua (CW) o la potencia media de un láser pulsado. Los láseres pulsados también se caracterizan por su energía de pulso, que es proporcional a la potencia media 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 frecuencia de repetición y la potencia promedio de un láser pulsado
Los láseres de mayor potencia y energía suelen ser más caros y generan más calor residual. Mantener una alta calidad del haz también se vuelve cada vez más difícil a medida que aumenta la potencia y la energía.
3: Duración del pulso (unidades típicas: fs a ms)
La duración del pulso láser o el ancho del pulso se define generalmente como el ancho total a la mitad del máximo (FWHM) de la potencia óptica del láser en función del tiempo (Figura 3). Los láseres ultrarrápidos ofrecen muchas ventajas en una variedad de aplicaciones, incluido el procesamiento de materiales de precisión y los láseres médicos. Se caracterizan por duraciones de pulso cortas del orden de picosegundos (10-12 segundos) a attosegundos (10-18 y menos).
P(W)
1/Tasa de repetición
Comprar tiempo(s) de cuenta pública
Figura 3: Los pulsos de un láser pulsado están separados en el tiempo por la inversa 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 la cantidad 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. Las 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 foco final, lo que da como resultado un calentamiento más rápido del material.
5: Longitud de coherencia (unidades típicas: milímetros a metros)
El láser es coherente, lo que significa que las corrientes eléctricas en diferentes momentos o lugares son coherentes. Existe una relación fija entre los valores de fase de campo. Esto se debe a que los láseres, a diferencia de la mayoría de los otros tipos de fuentes de luz, se producen por emisión estimulada. La longitud de coherencia define una distancia en la que la coherencia temporal de la luz láser permanece constante durante toda la propagación de la luz láser, sin degradación durante el proceso.
6: Polarización
La polarización define la dirección del campo eléctrico de la onda de luz, "siempre es perpendicular a la dirección de propagación". En la mayoría de los casos, la luz láser estará polarizada 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 generalmente se expresa como la relación de la potencia óptica de dos estados de polarización ortogonales, como 100:1 o 500:1.
Parámetros del haz
Los siguientes parámetros caracterizan la forma y la calidad del 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 tamaño físico perpendicular a la dirección de propagación. Generalmente se define como el ancho 1/e2, que es el ancho de la intensidad del haz hasta 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, más grandes deben ser la óptica y todo el sistema para evitar el truncamiento del haz, lo que aumenta el costo. Sin embargo, una reducción en el diámetro del haz aumenta la densidad de potencia/energía, lo que también puede ser perjudicial.
8: Densidad de potencia o energía (Unidades típicas: W/cm2 a MWicm2 o uJ/cm2 a J/cm2)
El diámetro del haz está relacionado con la densidad de potencia/energía del haz láser. La densidad de energía, o la cantidad de potencia/energía óptica por unidad de área. Cuanto mayor sea el diámetro del haz, menor será la densidad de potencia/energía del haz para una potencia o energía constante. Una alta densidad de potencia/energía suele ser deseable en la salida final del sistema (por ejemplo, en el corte o la soldadura por láser), pero las bajas concentraciones de potencia/energía suelen ser beneficiosas dentro del sistema para evitar daños inducidos por el láser. Esto también evita que las áreas de alta densidad de potencia/energía del haz ionicen el aire. Por estas razones, entre otras, a menudo se utilizan expansores de haz láser para aumentar el diámetro y, por lo tanto, reducir la densidad de potencia/energía dentro del sistema láser. Sin embargo, se debe tener cuidado de no expandir demasiado el haz para que no quede bloqueado en las aberturas del sistema, lo que daría como resultado un desperdicio de energía y posibles daños.
9: Perfil de la viga
El perfil del haz de un láser describe la intensidad distribuida sobre la sección transversal del haz. Los perfiles de haz más comunes incluyen haces gaussianos y haces de superficie plana, cuyos perfiles de haz siguen la función gaussiana y la función de superficie plana, respectivamente (Figura 4). Sin embargo, ningún láser puede producir un haz completamente gaussiano o completamente plano con un perfil de haz que coincida exactamente con su función característica, porque siempre hay una cierta cantidad 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 a menudo se describe mediante métricas que incluyen el factor M2 del láser.
Perfiles de vigas con parte superior plana y gaussiana
Figura 4: La comparación de los perfiles de haz de un haz gaussiano y un haz de superficie plana de igual potencia o intensidad promedio muestra que la intensidad máxima del haz gaussiano es el doble que la del haz de superficie plana.
10: Divergencia (unidades típicas: mrad)
Si bien los rayos láser suelen considerarse colimados, siempre contienen una cierta cantidad de divergencia, que describe el grado en el que el rayo diverge a distancias crecientes desde la cintura del rayo láser debido a la difracción. En aplicaciones de larga distancia 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 rayo a menudo se define por el semiángulo del láser, y la divergencia de un rayo gaussiano (0) se define como:
W 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 (unidades típicas: um)
El tamaño del punto focal de un haz láser enfocado describe el diámetro del haz en el foco 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 focal. Esto maximiza la densidad de potencia y permite la creación de características particularmente finas (Figura 5). A menudo se utilizan lentes asféricas en lugar de lentes esféricas tradicionales para reducir las aberraciones esféricas y producir tamaños de punto focal más pequeños. Algunos tipos de sistemas láser no enfocan finalmente el láser en un punto, en cuyo caso este parámetro no se aplica.
Figura 5: Los experimentos de micromaquinado láser en el Instituto Italiano de Tecnología muestran un aumento de 10- veces en la eficiencia de ablación en un sistema de perforación láser de nanosegundos cuando el tamaño del punto se reduce de 220 um a 9 um a un caudal constante.
12: Distancia de trabajo (unidades típicas: um a m)
La distancia de trabajo de un sistema láser se define normalmente como la distancia física desde el elemento óptico final (normalmente una lente de enfoque) hasta el objeto o la superficie en la que se enfoca el láser. Algunas aplicaciones, como los láseres médicos, suelen intentar minimizar la distancia de trabajo, mientras que otras, como la teledetección, suelen intentar maximizar su rango de distancia de trabajo.
