Há uma ampla gama de sistemas laser de uso geral para diversas aplicações, como processamento de materiais, cirurgia a laser e sensoriamento remoto, mas muitos sistemas laser compartilham parâmetros-chave comuns. O estabelecimento de uma terminologia comum para esses parâmetros evita mal-entendidos, e compreendê-los permite a especificação adequada de sistemas e componentes de laser para atender aos requisitos da aplicação.
Parâmetros Básicos
Os seguintes parâmetros básicos são os conceitos mais fundamentais de um sistema laser e são essenciais para a compreensão dos pontos mais avançados.
1: Comprimento de onda (unidades típicas: nm a µm)
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 depende muito da aplicação. No processamento de materiais, diferentes materiais possuem propriedades únicas de absorção dependentes do comprimento de onda que resultam em diferentes interações com o material. Da mesma forma, no sensoriamento remoto, a absorção atmosférica e a interferência podem afetar certos comprimentos de onda de maneira diferente, e em aplicações médicas de laser, vários complexos podem absorver certos comprimentos de onda de maneira diferente. Lasers de comprimento de onda mais curtos e ópticas de laser ajudam a criar recursos pequenos e precisos com aquecimento periférico mínimo porque o ponto focal é menor. No entanto, eles são normalmente mais caros e mais facilmente danificados do que os 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 potência óptica de um laser de onda contínua (CW) ou a potência média de um laser pulsado. Os lasers pulsados também são caracterizados pela 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).
Lasers de maior potência e energia são geralmente mais caros e produzem mais calor residual. Manter a alta qualidade do feixe também se torna mais difícil com o aumento da potência e da energia.
3: Duração do pulso (unidades típicas: fs a ms)
A duração ou largura do pulso do laser é geralmente definida como a largura total na metade do máximo (FWHM) da potência da luz 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, e são caracterizados por durações de pulso curtas de cerca de picossegundos (10-12 segundos) a attossegundos (10-18 segundos).
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 reverso (Figura 3). Conforme mencionado anteriormente, a taxa de repetição é inversamente proporcional à energia do pulso e diretamente proporcional à potência média. Embora a taxa de repetição geralmente dependa 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 óptica do laser e no foco final, levando a um aquecimento mais rápido do material.
5: Comprimento de coerência (unidades típicas: milímetros a metros)
Os lasers são coerentes, o que significa que existe uma relação fixa entre os valores de fase do campo elétrico em diferentes momentos ou locais. Isso ocorre porque, diferentemente da maioria dos outros tipos de fontes de luz, os lasers são produzidos por emissão excitada. A coerência diminui ao longo do processo de transmissão, e o comprimento de coerência do laser determina a distância na qual a coerência temporal do laser permanece com uma determinada qualidade.
6: Polarização
A polarização determina a direção do campo elétrico de uma onda de luz, que é sempre perpendicular à direção de propagação. Na maioria dos casos, o laser será polarizado linearmente, o que significa que o campo elétrico emitido aponta sempre na mesma direção. A luz não polarizada terá um campo elétrico que aponta em muitas direções diferentes. A polarização é geralmente expressa como a razão entre as distâncias focais da luz em dois estados polarizados ortogonalmente, por exemplo 100:1 ou 500:1.
Parâmetros de feixe
Os seguintes parâmetros caracterizam a forma e a qualidade de um 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 a dimensão física perpendicular à direção de propagação. Geralmente é definida como a largura 1/e2, ou seja, a largura alcançada pela intensidade do feixe em 1/e2 (≈13,5%). No ponto 1/e2, a intensidade do campo elétrico cai para 1/e (≈37%). Quanto maior o diâmetro do feixe, maiores devem ser a óptica e todo o sistema para evitar o truncamento do feixe, o que aumenta o custo. No entanto, uma diminuição no diâmetro do feixe aumenta a densidade de potência/energia, o que também é prejudicial.
8: Potência ou Densidade de Energia (unidades típicas: W/cm2 a MW/cm2 ou µJ/cm2 a J/cm2)
O diâmetro do feixe está relacionado à densidade de potência/energia do feixe de laser ou à potência/energia óptica por unidade de área. Quanto maior o diâmetro do feixe, menor será a densidade de potência/energia da potência constante ou do feixe de energia constante. Na saída final do sistema (por exemplo, no corte ou soldagem a laser), geralmente é necessária uma alta densidade de potência/energia, mas dentro do sistema, uma baixa concentração de potência/energia é geralmente benéfica na prevenção de danos induzidos pelo laser. Isto também evita a ionização do ar na região de alta densidade de potência/energia do feixe. Por estas razões, entre outras, os expansores de feixe de laser são frequentemente utilizados 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 estender o feixe tão grande que o feixe fique obscurecido pela abertura do sistema, resultando em desperdício de energia e danos potenciais.
9: Perfil do feixe
O perfil do feixe de um laser descreve a intensidade distribuída na seção transversal do feixe. Perfis de vigas comuns incluem vigas gaussianas e de topo plano, que seguem funções gaussianas e de topo plano, respectivamente (Figura 4). No entanto, como sempre há um certo número de pontos quentes ou flutuações dentro do laser, nenhum laser pode produzir um feixe totalmente gaussiano ou totalmente plano que esteja exatamente em conformidade com sua função própria. A diferença entre o perfil real do feixe de um laser e o perfil ideal do feixe é geralmente descrita por uma métrica contendo o fator M2 do laser.
10: Divergência (unidade típica: mrad)
Embora os feixes de laser sejam geralmente considerados colimados, eles sempre contêm uma certa divergência, que descreve a extensão em que o feixe diverge em distâncias crescentes da cintura do feixe de laser devido à difração. Em aplicações com longas distâncias operacionais, como sistemas LIDAR, onde os objetos podem estar a centenas de metros do sistema laser, a divergência torna-se uma questão particularmente importante. A divergência do feixe é geralmente definida em termos do meio ângulo do laser, e a divergência (θ) de um feixe gaussiano é definida como.
λ é o comprimento de onda do laser e w0 é a cintura do feixe do laser.
Parâmetros finais do sistema
Estes parâmetros finais descrevem o desempenho do sistema laser na saída.
11: Tamanho do ponto (unidade típica: µm)
O tamanho do ponto de um feixe de laser focado descreve o diâmetro do feixe no ponto focal 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 recursos excepcionalmente finos (Figura 5). Lentes asféricas são frequentemente usadas no lugar de lentes esféricas convencionais para minimizar a aberração esférica e produzir pontos focais menores. Alguns tipos de sistemas de laser não focam o laser no ponto, caso em que este parâmetro não é aplicável.
12: Distância de trabalho (unidade típica: µm a m)
A distância de trabalho de um sistema laser é geralmente definida como a distância física do elemento óptico final (geralmente uma lente de foco) até o objeto ou superfície na qual o laser está focado. Algumas aplicações, como lasers médicos, muitas vezes procuram minimizar a distância de trabalho, enquanto outras aplicações, como sensoriamento remoto, muitas vezes visam maximizar o alcance da distância de trabalho.
