लेजर सिस्टम के बारे में कुछ प्रमुख पैरामीटर अवधारणाएँ

सामग्री प्रसंस्करण, लेजर सर्जरी और रिमोट सेंसिंग जैसे विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए सामान्य प्रयोजन लेजर सिस्टम की एक विस्तृत श्रृंखला है, लेकिन कई लेजर सिस्टम सामान्य कुंजी पैरामीटर साझा करते हैं। इन मापदंडों के लिए सामान्य शब्दावली स्थापित करने से गलतफहमी से बचाव होता है, और उन्हें समझने से एप्लिकेशन आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए लेजर सिस्टम और घटकों के उचित विनिर्देशन की अनुमति मिलती है।

बुनियादी पैरामीटर

निम्नलिखित बुनियादी पैरामीटर लेजर प्रणाली की सबसे बुनियादी अवधारणाएं हैं और अधिक उन्नत बिंदुओं को समझने के लिए आवश्यक हैं।

1: तरंग दैर्ध्य (सामान्य इकाइयाँ: एनएम से µm)

लेजर की तरंग दैर्ध्य उत्सर्जित प्रकाश तरंग की स्थानिक आवृत्ति का वर्णन करती है। किसी दिए गए उपयोग के मामले के लिए इष्टतम तरंग दैर्ध्य अनुप्रयोग पर अत्यधिक निर्भर है। सामग्री प्रसंस्करण में, विभिन्न सामग्रियों में अद्वितीय तरंग दैर्ध्य-निर्भर अवशोषण गुण होते हैं जिसके परिणामस्वरूप सामग्री के साथ अलग-अलग इंटरैक्शन होते हैं। इसी तरह, रिमोट सेंसिंग में, वायुमंडलीय अवशोषण और हस्तक्षेप कुछ तरंग दैर्ध्य को अलग-अलग तरीके से प्रभावित कर सकते हैं, और चिकित्सा लेजर अनुप्रयोगों में, विभिन्न कॉम्प्लेक्स कुछ तरंग दैर्ध्य को अलग-अलग तरीके से अवशोषित कर सकते हैं। छोटे तरंग दैर्ध्य वाले लेजर और लेजर ऑप्टिक्स न्यूनतम परिधीय हीटिंग के साथ छोटी, सटीक विशेषताएं बनाने में मदद करते हैं क्योंकि फोकल स्पॉट छोटा होता है। हालाँकि, वे आम तौर पर लंबी तरंग दैर्ध्य लेज़रों की तुलना में अधिक महंगे होते हैं और अधिक आसानी से क्षतिग्रस्त हो जाते हैं।

2: शक्ति और ऊर्जा (सामान्य इकाइयाँ: W या J)

लेजर की शक्ति को वाट (डब्ल्यू) में मापा जाता है और इसका उपयोग निरंतर तरंग (सीडब्ल्यू) लेजर से ऑप्टिकल पावर आउटपुट या स्पंदित लेजर की औसत शक्ति का वर्णन करने के लिए किया जाता है। स्पंदित लेजर की विशेषता उनकी पल्स ऊर्जा भी होती है, जो औसत शक्ति के समानुपाती होती है और लेजर की पुनरावृत्ति दर के व्युत्क्रमानुपाती होती है (चित्र 2)। ऊर्जा को जूल (J) में मापा जाता है।

उच्च शक्ति और ऊर्जा वाले लेजर आमतौर पर अधिक महंगे होते हैं और वे अधिक अपशिष्ट ताप उत्पन्न करते हैं। बढ़ती शक्ति और ऊर्जा के साथ उच्च बीम गुणवत्ता को बनाए रखना भी अधिक कठिन हो जाता है।

3: पल्स अवधि (सामान्य इकाइयां: एफएस से एमएस)

लेज़र पल्स अवधि या पल्स चौड़ाई को आमतौर पर लेज़र प्रकाश शक्ति बनाम समय की आधी-अधिकतम (एफडब्ल्यूएचएम) पर पूरी चौड़ाई के रूप में परिभाषित किया जाता है (चित्रा 3)। अल्ट्राफास्ट लेजर सटीक सामग्री प्रसंस्करण और चिकित्सा लेजर सहित कई अनुप्रयोगों में कई लाभ प्रदान करते हैं, और लगभग पिकोसेकंड (10-12 सेकंड) से एटोसेकंड ({{3%) सेकंड) की छोटी पल्स अवधि की विशेषता रखते हैं।

4: पुनरावृत्ति दर (सामान्य इकाइयाँ: हर्ट्ज से मेगाहर्ट्ज)

स्पंदित लेजर की पुनरावृत्ति दर या पल्स पुनरावृत्ति आवृत्ति प्रति सेकंड उत्सर्जित पल्स की संख्या या रिवर्स टाइम पल्स अंतराल (चित्रा 3) का वर्णन करती है। जैसा कि पहले उल्लेख किया गया है, पुनरावृत्ति दर नाड़ी ऊर्जा के विपरीत आनुपातिक और औसत शक्ति के सीधे आनुपातिक है। जबकि पुनरावृत्ति दर आमतौर पर लेज़र गेन माध्यम पर निर्भर होती है, यह कई मामलों में भिन्न हो सकती है। उच्च पुनरावृत्ति दर के परिणामस्वरूप लेजर की ऑप्टिकल सतह और अंतिम फोकस पर कम थर्मल विश्राम समय होता है, जिससे सामग्री तेजी से गर्म होती है।

5: सुसंगत लंबाई (सामान्य इकाइयाँ: मिलीमीटर से मीटर)

लेज़र सुसंगत होते हैं, जिसका अर्थ है कि अलग-अलग समय या स्थानों पर विद्युत क्षेत्र के चरण मूल्यों के बीच एक निश्चित संबंध होता है। ऐसा इसलिए है, क्योंकि अधिकांश अन्य प्रकार के प्रकाश स्रोतों के विपरीत, लेजर उत्तेजित उत्सर्जन द्वारा निर्मित होते हैं। संपूर्ण संचरण प्रक्रिया के दौरान सुसंगतता कम हो जाती है, और लेज़र की सुसंगत लंबाई उस दूरी को निर्धारित करती है जिस पर लेज़र की अस्थायी सुसंगतता एक निश्चित गुणवत्ता पर बनी रहती है।

6: ध्रुवीकरण

ध्रुवीकरण प्रकाश तरंग के विद्युत क्षेत्र की दिशा निर्धारित करता है, जो हमेशा प्रसार की दिशा के लंबवत होता है। ज्यादातर मामलों में, लेजर को रैखिक रूप से ध्रुवीकृत किया जाएगा, जिसका अर्थ है कि उत्सर्जित विद्युत क्षेत्र हमेशा एक ही दिशा में इंगित करता है। अध्रुवित प्रकाश में एक विद्युत क्षेत्र होगा जो कई अलग-अलग दिशाओं में इंगित करेगा। ध्रुवीकरण को आमतौर पर दो ऑर्थोगोनली ध्रुवीकृत अवस्थाओं में प्रकाश की फोकल लंबाई के अनुपात के रूप में व्यक्त किया जाता है, उदाहरण के लिए 100:1 या 500:1।

बीम पैरामीटर

निम्नलिखित पैरामीटर लेजर बीम के आकार और गुणवत्ता की विशेषता बताते हैं।

7: बीम व्यास (सामान्य इकाइयाँ: मिमी से सेमी)

लेज़र का बीम व्यास बीम के पार्श्व विस्तार, या प्रसार की दिशा के लंबवत भौतिक आयाम को दर्शाता है। इसे आमतौर पर 1/e2 चौड़ाई के रूप में परिभाषित किया जाता है, अर्थात 1/e2 (≈13.5%) पर बीम की तीव्रता द्वारा प्राप्त चौड़ाई। 1/e2 बिंदु पर, विद्युत क्षेत्र की ताकत घटकर 1/e (≈37%) हो जाती है। बीम व्यास जितना बड़ा होगा, बीम ट्रंकेशन से बचने के लिए ऑप्टिक्स और पूरे सिस्टम को उतना ही बड़ा होना चाहिए, जिससे लागत बढ़ जाती है। हालाँकि, बीम व्यास में कमी से शक्ति/ऊर्जा घनत्व बढ़ जाता है, जो हानिकारक भी है।

8: शक्ति या ऊर्जा घनत्व (सामान्य इकाइयाँ: W/cm2 से MW/cm2 या µJ/cm2 से J/cm2)

बीम का व्यास लेजर बीम की शक्ति/ऊर्जा घनत्व या प्रति इकाई क्षेत्र ऑप्टिकल शक्ति/ऊर्जा से संबंधित है। बीम का व्यास जितना बड़ा होगा, स्थिर शक्ति या स्थिर ऊर्जा बीम की शक्ति/ऊर्जा घनत्व उतना ही कम होगा। सिस्टम के अंतिम आउटपुट पर (उदाहरण के लिए, लेजर कटिंग या वेल्डिंग में), आमतौर पर उच्च शक्ति/ऊर्जा घनत्व की आवश्यकता होती है, लेकिन सिस्टम के भीतर, कम शक्ति/ऊर्जा एकाग्रता आमतौर पर लेजर-प्रेरित क्षति को रोकने में फायदेमंद होती है। यह बीम के उच्च शक्ति/ऊर्जा घनत्व क्षेत्र में वायु आयनीकरण को भी रोकता है। इन कारणों से, अन्य कारणों के अलावा, लेजर बीम विस्तारकों का उपयोग अक्सर व्यास को बढ़ाने के लिए किया जाता है और इस प्रकार लेजर प्रणाली के अंदर शक्ति/ऊर्जा घनत्व को कम किया जाता है। हालाँकि, इस बात का ध्यान रखा जाना चाहिए कि बीम को इतना बड़ा न किया जाए कि बीम सिस्टम के एपर्चर से छिप जाए, जिसके परिणामस्वरूप ऊर्जा बर्बाद होगी और संभावित क्षति होगी।

9: बीम प्रोफाइल

लेज़र का बीम प्रोफ़ाइल बीम क्रॉस-सेक्शन में वितरित तीव्रता का वर्णन करता है। सामान्य बीम प्रोफाइल में गॉसियन और फ्लैट-टॉप बीम शामिल हैं, जो क्रमशः गॉसियन और फ्लैट-टॉप फ़ंक्शन का पालन करते हैं (चित्रा 4)। हालाँकि, चूँकि लेज़र के अंदर हमेशा एक निश्चित संख्या में हॉट स्पॉट या उतार-चढ़ाव होते हैं, कोई भी लेज़र पूरी तरह से गॉसियन या पूरी तरह से फ्लैट-टॉप बीम का उत्पादन नहीं कर सकता है जो बिल्कुल उसके आइजनफंक्शन के अनुरूप होता है। लेज़र की वास्तविक बीम प्रोफ़ाइल और आदर्श बीम प्रोफ़ाइल के बीच का अंतर आमतौर पर लेज़र के एम2 कारक वाले मीट्रिक द्वारा वर्णित किया जाता है।

10: विचलन (विशिष्ट इकाई: mrad)

हालाँकि लेज़र बीम को आम तौर पर कोलिमेटेड माना जाता है, लेकिन उनमें हमेशा एक निश्चित मात्रा में विचलन होता है, जो विवर्तन के कारण लेज़र बीम कमर से बढ़ती दूरी पर बीम की सीमा का वर्णन करता है। लंबी परिचालन दूरी वाले अनुप्रयोगों में, जैसे कि LIDAR सिस्टम, जहां वस्तुएं लेजर सिस्टम से सैकड़ों मीटर दूर हो सकती हैं, विचलन एक विशेष रूप से महत्वपूर्ण मुद्दा बन जाता है। बीम विचलन को आमतौर पर लेजर के आधे कोण के संदर्भ में परिभाषित किया जाता है, और गॉसियन बीम के विचलन (θ) को इस प्रकार परिभाषित किया जाता है।

λ लेज़र की तरंग दैर्ध्य है और w0 लेज़र की बीम कमर है।

अंतिम सिस्टम पैरामीटर्स

ये अंतिम पैरामीटर आउटपुट पर लेजर सिस्टम के प्रदर्शन का वर्णन करते हैं।

11: स्पॉट आकार (सामान्य इकाई: µm)

एक केंद्रित लेजर बीम का स्पॉट आकार फोकसिंग लेंस प्रणाली के फोकल बिंदु पर बीम व्यास का वर्णन करता है। सामग्री प्रसंस्करण और चिकित्सा सर्जरी जैसे कई अनुप्रयोगों में, लक्ष्य स्पॉट आकार को कम करना है। यह शक्ति घनत्व को अधिकतम करता है और असाधारण रूप से बढ़िया सुविधाओं के निर्माण की अनुमति देता है (चित्र 5)। गोलाकार विपथन को कम करने और छोटे फोकल स्पॉट आकार उत्पन्न करने के लिए पारंपरिक गोलाकार लेंस के स्थान पर अक्सर गोलाकार लेंस का उपयोग किया जाता है। कुछ प्रकार के लेज़र सिस्टम अंततः लेज़र को उस स्थान पर केंद्रित नहीं करते हैं, ऐसी स्थिति में यह पैरामीटर लागू नहीं होता है।

12: कार्य दूरी (सामान्य इकाई: µm से m)

लेज़र सिस्टम की कार्यशील दूरी को आम तौर पर अंतिम ऑप्टिकल तत्व (आमतौर पर एक फ़ोकसिंग लेंस) से उस वस्तु या सतह की भौतिक दूरी के रूप में परिभाषित किया जाता है जिस पर लेज़र केंद्रित होता है। कुछ अनुप्रयोग, जैसे मेडिकल लेजर, अक्सर कार्य दूरी को कम करने का प्रयास करते हैं, जबकि अन्य अनुप्रयोग, जैसे रिमोट सेंसिंग, अक्सर अपनी कार्य दूरी सीमा को अधिकतम करने का लक्ष्य रखते हैं।