Terdapat beragam sistem laser tujuan umum untuk berbagai aplikasi seperti 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 kesalahpahaman, dan memahaminya memungkinkan spesifikasi sistem dan komponen laser yang tepat untuk memenuhi persyaratan aplikasi.
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. Dalam pemrosesan bahan, bahan yang berbeda memiliki sifat serapan unik yang bergantung pada panjang gelombang yang menghasilkan interaksi berbeda dengan bahan tersebut. Demikian pula, dalam penginderaan jauh, penyerapan dan interferensi atmosfer dapat mempengaruhi panjang gelombang tertentu secara berbeda, dan dalam aplikasi laser medis, berbagai kompleks dapat menyerap panjang gelombang tertentu secara berbeda. Laser dengan panjang gelombang yang lebih pendek dan optik laser membantu menciptakan 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 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).
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).
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, dalam banyak kasus dapat bervariasi. 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 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 melalui emisi tereksitasi. Koherensi berkurang selama proses transmisi, dan panjang koherensi laser menentukan jarak di mana koherensi temporal laser tetap 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. 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 fisik yang tegak lurus terhadap arah rambat. Biasanya didefinisikan sebagai lebar 1/e2, yaitu lebar yang dicapai oleh 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 ukuran optik dan keseluruhan sistem untuk menghindari pemotongan berkas, yang meningkatkan biaya. Namun, penurunan diameter balok akan meningkatkan kepadatan daya/energi, yang juga 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 berkas, maka semakin rendah kerapatan daya/energi dari berkas daya konstan atau energi konstan. Pada keluaran akhir sistem (misalnya, dalam pemotongan atau pengelasan laser), biasanya diperlukan daya/kepadatan energi yang tinggi, namun di dalam sistem, konsentrasi daya/energi yang rendah biasanya bermanfaat dalam mencegah kerusakan akibat laser. Hal ini juga mencegah ionisasi udara di wilayah berkas cahaya dengan daya/kepadatan energi yang tinggi. Karena alasan ini, antara lain, laser beam expander sering digunakan untuk meningkatkan diameter sehingga mengurangi kepadatan daya/energi di dalam sistem laser. Namun, kehati-hatian harus diberikan agar pancaran sinar tidak terlalu besar sehingga sinarnya terhalang dari bukaan sistem, yang 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 masing-masing mengikuti fungsi Gaussian dan balok atas datar (Gambar 4). Namun, karena selalu ada sejumlah titik panas atau fluktuasi di dalam laser, tidak ada laser yang dapat menghasilkan sinar Gaussian sepenuhnya atau sinar dengan puncak datar yang benar-benar sesuai dengan fungsi eigennya. Perbedaan antara profil sinar laser sebenarnya dan profil sinar ideal biasanya digambarkan dengan metrik yang berisi faktor M2 laser.
10: Divergensi (unit tipikal: mrad)
Meskipun sinar laser umumnya 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 didefinisikan dalam setengah sudut laser, dan divergensi (θ) berkas Gaussian didefinisikan sebagai.
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 pemrosesan bahan dan bedah medis, tujuannya adalah meminimalkan ukuran titik. Hal ini memaksimalkan kepadatan daya dan memungkinkan terciptanya fitur yang sangat bagus (Gambar 5). Lensa asferis sering digunakan sebagai pengganti lensa sferis konvensional untuk meminimalkan aberasi sferis dan menghasilkan ukuran titik fokus yang lebih kecil. Beberapa jenis sistem laser pada akhirnya tidak memfokuskan laser ke titik, sehingga parameter ini tidak berlaku.
12: Jarak kerja (satuan umum: µm hingga m)
Jarak kerja sistem laser umumnya didefinisikan sebagai jarak fisik dari elemen optik akhir (biasanya lensa pemfokusan) ke objek atau permukaan tempat laser difokuskan. Beberapa aplikasi, seperti laser medis, sering kali berupaya meminimalkan jarak kerja, sementara aplikasi lain, seperti penginderaan jarak jauh, sering kali bertujuan untuk memaksimalkan jangkauan jarak kerja.
