Ada berbagai macam sistem laser yang umum digunakan dalam berbagai aplikasi seperti pemrosesan material, bedah laser, dan penginderaan jarak jauh, namun banyak sistem laser yang memiliki parameter kunci yang sama. Menetapkan terminologi umum untuk parameter ini mencegah kesalahan komunikasi, dan memahaminya memungkinkan sistem dan komponen laser ditentukan dengan benar untuk memenuhi persyaratan aplikasi.
Gambar 1: Diagram skema sistem pemrosesan bahan laser yang umum, di mana masing-masing dari 10 parameter utama sistem laser diwakili oleh nomor yang sesuai
Parameter Dasar
Parameter dasar berikut adalah konsep paling dasar dari sistem laser, dan juga penting untuk memahami poin lebih lanjut
1: Panjang gelombang (satuan tipikal: nm hingga um)
Panjang gelombang laser menggambarkan frekuensi spasial gelombang cahaya yang dipancarkan. Panjang gelombang optimal untuk kasus penggunaan tertentu sangat bergantung pada aplikasi. Bahan yang berbeda akan memiliki sifat serapan unik yang bergantung pada panjang gelombang dalam pemrosesan bahan, sehingga menghasilkan interaksi yang berbeda dengan bahan tersebut. Demikian pula, penyerapan dan interferensi atmosfer akan mempengaruhi panjang gelombang tertentu secara berbeda dalam penginderaan jauh, dan berbagai kompleks akan menyerap panjang gelombang tertentu secara berbeda dalam aplikasi laser medis. Laser dengan panjang gelombang yang lebih pendek dan optik laser bermanfaat untuk menciptakan fitur yang kecil dan presisi dengan pemanasan perifer yang minimal karena titik fokusnya lebih kecil. Namun, laser ini umumnya lebih mahal dan lebih rentan terhadap kerusakan dibandingkan laser dengan panjang gelombang lebih panjang.
2: Daya dan Energi (Satuan Khas: W atau J)
Kekuatan laser diukur dalam Watt (W) dan digunakan untuk menggambarkan keluaran daya optik dari laser gelombang kontinu (CW) atau daya rata-rata laser berdenyut. Laser berdenyut juga dicirikan oleh energi denyutnya, yang sebanding dengan daya rata-rata dan berbanding terbalik dengan tingkat pengulangan laser (Gambar 2). Energi diukur dalam Joule (J).
Gambar 2: Representasi visual hubungan antara energi pulsa, laju pengulangan, dan daya rata-rata laser berdenyut
Laser dengan daya dan energi yang lebih tinggi umumnya lebih mahal, dan menghasilkan lebih banyak limbah panas. Mempertahankan kualitas sinar tinggi juga menjadi semakin sulit seiring dengan meningkatnya daya dan energi.
3: Durasi Pulsa (Unit Khas: fs hingga ms)
Durasi pulsa laser atau lebar pulsa biasanya didefinisikan sebagai lebar penuh setengah maksimum (FWHM) daya optik laser versus waktu (Gambar 3). Laser ultracepat menawarkan banyak keunggulan dalam berbagai aplikasi termasuk pemrosesan bahan presisi dan laser medis. Mereka dicirikan oleh durasi pulsa pendek dalam urutan pikodetik (10-12 detik) hingga attodetik (10-18 dan kurang dari itu
P(W)
1/Tingkat Pengulangan
Waktu Pembelian Akun Publik
Gambar 3: Pulsa laser berdenyut dipisahkan dalam waktu dengan kebalikan dari laju pengulangan
4: Tingkat pengulangan (satuan umum: Hz hingga MHz)
Tingkat pengulangan atau frekuensi pengulangan pulsa dari laser berdenyut menggambarkan jumlah pulsa yang dipancarkan per detik atau interval waktu pulsa terbalik (Gambar 3). Seperti disebutkan sebelumnya, laju pengulangan berbanding terbalik dengan energi pulsa dan berbanding lurus dengan daya rata-rata. Meskipun tingkat pengulangan umumnya bergantung pada media penguatan laser, tingkat pengulangan dapat bervariasi dalam banyak kasus. Tingkat pengulangan yang lebih tinggi menghasilkan waktu relaksasi termal yang lebih singkat pada permukaan optik laser dan pada fokus akhir, sehingga menghasilkan pemanasan material yang lebih cepat.
5: Panjang Koherensi (Satuan Umum: Milimeter ke Meter)
Laser bersifat koheren, artinya arus listrik pada waktu atau lokasi berbeda bersifat koheren. Ada hubungan tetap antara nilai fase lapangan. Hal ini karena laser, tidak seperti kebanyakan jenis sumber cahaya lainnya, dihasilkan melalui emisi terstimulasi. Panjang koherensi menentukan jarak di mana koherensi temporal sinar laser tetap konstan sepanjang propagasi sinar laser, tanpa degradasi selama proses tersebut.
6: Polarisasi
Polarisasi mendefinisikan arah medan listrik gelombang cahaya, "selalu tegak lurus terhadap arah rambat. Dalam kebanyakan kasus, sinar laser akan terpolarisasi linier, artinya medan listrik yang dipancarkan selalu mengarah ke arah yang sama. Cahaya tidak terpolarisasi akan memiliki medan listrik yang menunjuk ke berbagai arah. Derajat polarisasi biasanya dinyatakan sebagai rasio daya optik dua keadaan polarisasi ortogonal, seperti 100:1 atau 500:1.
Parameter balok
Parameter berikut mencirikan bentuk dan kualitas sinar laser.
7: Diameter Balok (Satuan Khas: mm hingga cm)
Diameter berkas laser mencirikan perpanjangan lateral berkas, atau ukuran fisiknya yang tegak lurus terhadap arah rambat. Biasanya didefinisikan sebagai lebar 1/e2, yang merupakan lebar intensitas sinar hingga 1/e2 (=13.5%). Pada titik 1/e2 intensitas medan listrik turun menjadi 1/e (=37%). Semakin besar diameter berkas, semakin besar kebutuhan optik dan keseluruhan sistem untuk menghindari pemotongan berkas, yang meningkatkan biaya. Namun, pengurangan diameter balok akan meningkatkan kepadatan daya/energi, yang juga dapat merugikan.
8: Kepadatan Daya atau Energi (Satuan Umum: W/cm2 hingga MWicm2 atau uJ/cm2 hingga J/cm2)
Diameter sinar berhubungan dengan daya/kerapatan energi sinar laser. Kepadatan energi, atau jumlah daya/energi optik per satuan luas. Semakin besar diameter balok maka semakin rendah rapat daya/energi balok untuk daya atau energi yang konstan. Kepadatan daya/energi yang tinggi sering kali diinginkan pada keluaran akhir sistem (misalnya dalam pemotongan atau pengelasan laser), namun konsentrasi daya/energi yang rendah sering kali bermanfaat di dalam sistem untuk mencegah kerusakan akibat laser. Hal ini juga mencegah area dengan daya/kepadatan energi tinggi dari sinar mengionisasi udara. Karena alasan ini, antara lain, laser beam expander sering digunakan untuk meningkatkan diameter sehingga mengurangi kepadatan daya/energi di dalam sistem laser. Namun, harus berhati-hati agar pancaran sinar tidak terlalu melebar sehingga menghalangi lubang pada sistem, yang mengakibatkan pemborosan energi dan potensi kerusakan.
9: Profil Balok
Profil sinar laser menggambarkan intensitas yang didistribusikan pada penampang sinar. Profil balok yang umum mencakup balok Gaussian dan balok puncak datar, yang profil baloknya masing-masing mengikuti fungsi Gaussian dan fungsi puncak datar (Gambar 4). Namun, tidak ada laser yang dapat menghasilkan sinar Gaussian atau sinar datar sepenuhnya dengan profil sinar yang sama persis dengan fungsi karakteristiknya, karena selalu ada sejumlah titik panas atau fluktuasi di dalam laser. Perbedaan antara profil sinar laser sebenarnya dan profil sinar ideal sering kali digambarkan dengan metrik yang mencakup faktor M2 laser.
Profil Balok Atas Gaussian dan datar
Gambar 4: Perbandingan profil balok balok Gaussian dan balok atas datar dengan daya atau intensitas rata-rata yang sama menunjukkan bahwa intensitas puncak balok Gaussian adalah dua kali lipat intensitas balok atas datar
10: Divergensi (satuan tipikal: mrad)
Meskipun sinar laser sering dianggap terkolimasi, sinar tersebut selalu mengandung sejumlah divergensi, yang menggambarkan sejauh mana sinar tersebut menyimpang pada jarak yang semakin jauh dari pinggang sinar laser karena difraksi. Dalam aplikasi jarak kerja yang jauh, seperti sistem LiDAR, di mana objek mungkin berjarak ratusan meter dari sistem laser, divergensi menjadi masalah yang sangat penting. Divergensi sinar sering kali ditentukan oleh setengah sudut laser, dan divergensi sinar Gaussian (0) didefinisikan sebagai:
W adalah panjang gelombang laser dan w0 adalah pinggang sinar laser
Parameter sistem akhir
Parameter akhir ini menggambarkan kinerja sistem laser pada keluaran
11: Ukuran titik (satuan tipikal: um)
Ukuran titik sinar laser terfokus menggambarkan diameter sinar pada fokus sistem lensa pemfokusan. Dalam banyak aplikasi seperti pemrosesan material dan bedah medis, tujuannya adalah meminimalkan ukuran titik. Hal ini memaksimalkan kepadatan daya dan memungkinkan terciptanya fitur-fitur yang sangat bagus (Gambar 5). Lensa asferis sering kali digunakan sebagai pengganti lensa sferis tradisional untuk mengurangi aberasi sferis dan menghasilkan ukuran titik fokus yang lebih kecil. Beberapa jenis sistem laser pada akhirnya tidak memfokuskan laser ke suatu titik, sehingga parameter ini tidak berlaku.
Gambar 5: Eksperimen pemesinan mikro laser di Institut Teknologi Italia menunjukkan peningkatan efisiensi ablasi 10-kali lipat dalam sistem pengeboran laser nanodetik ketika ukuran titik dikurangi dari 220um menjadi 9um pada laju aliran konstan
12: Jarak kerja (satuan umum: um ke m)
Jarak kerja sistem laser biasanya didefinisikan sebagai jarak fisik dari elemen optik akhir (biasanya lensa pemfokusan) ke objek atau permukaan tempat laser difokuskan. Aplikasi tertentu, seperti laser medis, biasanya berupaya meminimalkan jarak kerja, sementara aplikasi lainnya, seperti penginderaan jarak jauh, biasanya bertujuan untuk memaksimalkan jangkauan jarak kerja.
