Terdapat beragam sistem laser umum untuk berbagai aplikasi, termasuk pemrosesan bahan, bedah laser, dan penginderaan jarak jauh, namun banyak sistem laser yang memiliki parameter utama yang sama. Menetapkan terminologi umum untuk parameter ini mencegah miskomunikasi, dan memahaminya memungkinkan spesifikasi sistem dan komponen laser yang tepat untuk memenuhi persyaratan aplikasi.
Gambar 1: 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 mendasar dari sistem laser dan penting untuk memahami poin lebih lanjut.
1: Panjang gelombang (satuan umum: nm hingga µm)
Panjang gelombang laser menggambarkan frekuensi spasial gelombang cahaya yang dipancarkan. Panjang gelombang optimal untuk kasus penggunaan tertentu sangat bergantung pada aplikasinya. 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 memfasilitasi pembuatan fitur yang kecil dan presisi dengan pemanasan perifer yang minimal karena titik fokusnya lebih kecil. Namun, laser ini biasanya lebih mahal dan lebih mudah rusak dibandingkan laser dengan panjang gelombang lebih panjang.
2: Daya dan Energi (satuan tipikal: W atau J)
Kekuatan laser diukur dalam watt (W) dan digunakan untuk mengkarakterisasi 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 biasanya lebih mahal dan menghasilkan lebih banyak limbah panas. Mempertahankan kualitas sinar tinggi juga menjadi lebih sulit seiring dengan meningkatnya daya dan energi.
3: Durasi Pulsa (satuan tipikal: fs hingga ms)
Durasi pulsa laser atau lebar pulsa biasanya didefinisikan sebagai lebar penuh setengah maksimum (FWHM) daya sinar laser versus waktu (Gambar 3). Laser ultracepat menawarkan banyak keuntungan dalam berbagai aplikasi termasuk pemrosesan bahan presisi dan laser medis, dan ditandai dengan durasi pulsa pendek sekitar pikodetik (10-12 detik) hingga attodetik (10-18 detik).
Gambar 3: Pulsa laser berdenyut yang dipisahkan 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 biasanya bergantung pada media penguatan laser, namun dapat bervariasi dalam banyak kasus. Tingkat pengulangan yang lebih tinggi menghasilkan waktu relaksasi termal yang lebih pendek pada permukaan optik laser dan pada titik fokus akhir, sehingga pemanasan material menjadi lebih cepat.
5: Panjang koherensi (satuan umum: milimeter ke meter)
Laser bersifat koheren, artinya terdapat hubungan tetap antara nilai fasa medan listrik pada waktu atau lokasi berbeda. Hal ini karena tidak seperti kebanyakan jenis sumber cahaya lainnya, laser dihasilkan oleh emisi tereksitasi. Koherensi menurun selama proses propagasi, dan panjang koherensi laser menentukan jarak di mana koherensi temporal laser dipertahankan pada kualitas tertentu.
6: Polarisasi
Polarisasi menentukan arah medan listrik gelombang cahaya, yang selalu tegak lurus dengan arah rambatnya. Dalam kebanyakan kasus, laser akan terpolarisasi linier, artinya medan listrik yang dipancarkan selalu mengarah ke arah yang sama. Cahaya yang tidak terpolarisasi akan mempunyai medan listrik yang mengarah ke berbagai arah. Derajat polarisasi biasanya dinyatakan sebagai rasio panjang fokus cahaya dalam dua keadaan terpolarisasi ortogonal, misalnya 100:1 atau 500:1.
Parameter balok
Parameter berikut mencirikan bentuk dan kualitas sinar laser.
7: Diameter balok (satuan tipikal: mm hingga cm)
Diameter sinar laser mencirikan perpanjangan lateral sinar, atau dimensi fisiknya yang tegak lurus terhadap arah rambat. Biasanya didefinisikan sebagai lebar 1/e2, yang dicapai dengan intensitas sinar pada 1/e2 (≈ 13,5%). Pada titik 1/e2 kuat medan listrik turun menjadi 1/e (≈ 37%). Semakin besar diameter berkas, semakin besar kebutuhan optik dan keseluruhan sistem untuk menghindari terpotongnya berkas, yang akan 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 MW/cm2 atau µJ/cm2 hingga J/cm2)
Diameter sinar berkaitan dengan daya/kerapatan energi sinar laser atau daya/energi optik per satuan luas. Semakin besar diameter balok maka semakin rendah rapat daya/energi suatu balok dengan daya atau energi yang konstan. Pada keluaran akhir sistem (misalnya, dalam pemotongan atau pengelasan laser), kerapatan daya/energi yang tinggi sering kali diinginkan, namun di dalam sistem, konsentrasi daya/energi yang rendah sering kali bermanfaat untuk mencegah kerusakan akibat laser. Hal ini juga mencegah ionisasi udara di wilayah pancaran daya/kepadatan energi tinggi. 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 sinar tidak melebar terlalu jauh sehingga sinarnya terhalang dari lubang di sistem, sehingga mengakibatkan pemborosan energi dan potensi kerusakan.
9: Profil Balok
Profil sinar laser menggambarkan intensitas terdistribusi pada penampang sinar. Profil balok yang umum mencakup balok Gaussian dan balok atas datar, yang profil baloknya masing-masing mengikuti fungsi Gaussian dan balok atas datar (Gambar 4). Namun, tidak ada laser yang dapat menghasilkan sinar Gaussian atau sinar atas yang sepenuhnya datar dengan profil sinar yang sama persis dengan fungsi eigennya, karena selalu ada sejumlah titik panas atau fluktuasi di dalam laser. Perbedaan antara profil sinar laser sebenarnya dan profil sinar ideal biasanya digambarkan dengan metrik yang mencakup faktor M2 laser.
Gambar 4: Perbandingan profil balok balok Gaussian dengan daya atau intensitas rata-rata yang sama dan balok puncak datar menunjukkan bahwa intensitas puncak balok Gaussian adalah dua kali lipat intensitas balok puncak datar.
10: Divergensi (satuan tipikal: mrad)
Meskipun sinar laser biasanya 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 dengan jarak pengoperasian yang jauh, seperti sistem LIDAR yang objeknya mungkin berjarak ratusan meter dari sistem laser, divergensi menjadi masalah yang sangat penting. Divergensi berkas biasanya ditentukan oleh setengah sudut laser, dan divergensi (θ) berkas Gaussian didefinisikan sebagai:
Gambar.
λ adalah panjang gelombang laser dan w0 adalah beam waist dari laser.
Parameter sistem akhir
Parameter akhir ini menggambarkan kinerja sistem laser pada keluaran.
11: Ukuran titik (satuan tipikal: µm)
Ukuran titik sinar laser terfokus menggambarkan diameter sinar pada titik fokus sistem lensa pemfokusan. Dalam banyak aplikasi, seperti pengolahan bahan dan bedah medis, tujuannya adalah meminimalkan ukuran titik. Hal ini memaksimalkan kepadatan daya dan memungkinkan terciptanya fitur-fitur yang sangat bagus. Lensa asferis sering digunakan sebagai pengganti lensa sferis tradisional untuk meminimalkan 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.
12: Jarak Kerja (satuan umum: µm hingga 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 lain, seperti penginderaan jarak jauh, biasanya bertujuan untuk memaksimalkan jangkauan jarak kerja.
