सामग्री प्रसंस्करण, लेजर सर्जरी और रिमोट सेंसिंग जैसे विभिन्न अनुप्रयोगों में उपयोग की जाने वाली सामान्य लेजर प्रणालियों की एक विस्तृत श्रृंखला है, लेकिन कई लेजर प्रणालियों में सामान्य कुंजी पैरामीटर होते हैं। इन मापदंडों के लिए सामान्य शब्दावली स्थापित करने से संचार त्रुटियों को रोका जा सकता है, और उन्हें समझने से लेज़र सिस्टम और घटकों को एप्लिकेशन आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए सही ढंग से निर्दिष्ट किया जा सकता है।
चित्र 1: एक सामान्य लेजर सामग्री प्रसंस्करण प्रणाली का योजनाबद्ध आरेख, जहां लेजर प्रणाली के 10 प्रमुख मापदंडों में से प्रत्येक को एक संबंधित संख्या द्वारा दर्शाया गया है
बुनियादी पैरामीटर
निम्नलिखित बुनियादी पैरामीटर लेजर सिस्टम की सबसे बुनियादी अवधारणाएं हैं, और अधिक उन्नत बिंदुओं को समझने के लिए भी महत्वपूर्ण हैं
1: तरंग दैर्ध्य (सामान्य इकाइयाँ: एनएम से उम)
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 अत्यधिक अनुप्रयोग पर निर्भर है। सामग्री प्रसंस्करण में विभिन्न सामग्रियों में अद्वितीय तरंग दैर्ध्य-निर्भर अवशोषण गुण होंगे, जिसके परिणामस्वरूप सामग्री के साथ अलग-अलग इंटरैक्शन होंगे। इसी तरह, वायुमंडलीय अवशोषण और हस्तक्षेप रिमोट सेंसिंग में कुछ तरंग दैर्ध्य को अलग-अलग तरीके से प्रभावित करेगा, और विभिन्न कॉम्प्लेक्स मेडिकल लेजर अनुप्रयोगों में कुछ तरंग दैर्ध्य को अलग-अलग तरीके से अवशोषित करेंगे। छोटी तरंग दैर्ध्य लेजर और लेजर ऑप्टिक्स न्यूनतम परिधीय हीटिंग के साथ छोटी और सटीक विशेषताएं बनाने के लिए फायदेमंद होते हैं क्योंकि फोकल स्पॉट छोटा होता है। हालाँकि, वे आम तौर पर अधिक महंगे होते हैं और लंबी तरंग दैर्ध्य लेज़रों की तुलना में क्षति के प्रति अधिक संवेदनशील होते हैं।
2: शक्ति और ऊर्जा (विशिष्ट इकाइयाँ: W या J)
लेजर की शक्ति को वाट्स (डब्ल्यू) में मापा जाता है और इसका उपयोग निरंतर तरंग (सीडब्ल्यू) लेजर के 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।
चित्र 2: पल्स ऊर्जा, पुनरावृत्ति दर और स्पंदित लेजर की औसत शक्ति के बीच संबंध का दृश्य प्रतिनिधित्व
उच्च शक्ति और ऊर्जा वाले लेजर आम तौर पर अधिक महंगे होते हैं, और वे अधिक अपशिष्ट ताप उत्पन्न करते हैं। जैसे-जैसे बिजली और ऊर्जा बढ़ती है, उच्च बीम गुणवत्ता बनाए रखना भी कठिन होता जाता है।
3: पल्स अवधि (विशिष्ट इकाइयां: एफएस से एमएस)
लेज़र पल्स अवधि या पल्स चौड़ाई को आमतौर पर लेज़र ऑप्टिकल पावर बनाम समय (चित्रा 3) की आधी अधिकतम (एफडब्ल्यूएचएम) पर पूरी चौड़ाई के रूप में परिभाषित किया जाता है। अल्ट्राफास्ट लेज़र सटीक सामग्री प्रसंस्करण और चिकित्सा लेज़र सहित कई अनुप्रयोगों में कई लाभ प्रदान करते हैं। इन्हें पिकोसेकंड (10-12 सेकंड) से एटोसेकंड ({{2%) और उससे कम के क्रम की छोटी पल्स अवधि की विशेषता है
P(W)
1/पुनरावृत्ति दर
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चित्र 3: स्पंदित लेज़र के स्पंदों को समय में पुनरावृत्ति दर के व्युत्क्रम द्वारा अलग किया जाता है
4: पुनरावृत्ति दर (सामान्य इकाइयाँ: हर्ट्ज से मेगाहर्ट्ज)
स्पंदित लेजर की पुनरावृत्ति दर या पल्स पुनरावृत्ति आवृत्ति प्रति सेकंड उत्सर्जित पल्स की संख्या या व्युत्क्रम समय 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 आम तौर पर लेजर लाभ माध्यम पर निर्भर होती है, यह कई मामलों में भिन्न हो सकती है। उच्च पुनरावृत्ति दर के परिणामस्वरूप लेजर ऑप्टिक्स की सतह पर और अंतिम फोकस पर कम थर्मल विश्राम समय होता है, जिसके परिणामस्वरूप सामग्री तेजी से गर्म होती है।
5: सुसंगत लंबाई (विशिष्ट इकाइयाँ: मिलीमीटर से मीटर)
लेज़र सुसंगत है, जिसका अर्थ है कि अलग-अलग समय या स्थानों पर विद्युत धाराएँ सुसंगत हैं। फ़ील्ड चरण मानों के बीच एक निश्चित संबंध है। ऐसा इसलिए है क्योंकि अधिकांश अन्य प्रकार के प्रकाश स्रोतों के विपरीत, लेज़र उत्तेजित उत्सर्जन द्वारा निर्मित होते हैं। सुसंगतता लंबाई एक दूरी को परिभाषित करती है जिस पर लेजर प्रकाश की अस्थायी सुसंगतता प्रक्रिया के दौरान गिरावट के बिना, लेजर प्रकाश के प्रसार के दौरान स्थिर रहती है।
6: ध्रुवीकरण
ध्रुवीकरण प्रकाश तरंग के विद्युत क्षेत्र की दिशा को परिभाषित करता है, "यह हमेशा प्रसार की दिशा के लंबवत होता है। ज्यादातर मामलों में, लेजर प्रकाश रैखिक रूप से ध्रुवीकृत होगा, जिसका अर्थ है कि उत्सर्जित विद्युत क्षेत्र हमेशा एक ही दिशा में इंगित करता है। अध्रुवित प्रकाश इसमें कई अलग-अलग दिशाओं की ओर इशारा करने वाला एक विद्युत क्षेत्र होगा। ध्रुवीकरण की डिग्री आमतौर पर दो ऑर्थोगोनल ध्रुवीकरण राज्यों की ऑप्टिकल शक्ति के अनुपात के रूप में व्यक्त की जाती है, जैसे कि 100:1 या 500:1।
बीम पैरामीटर
निम्नलिखित पैरामीटर लेजर बीम के आकार और गुणवत्ता की विशेषता बताते हैं।
7: बीम व्यास (विशिष्ट इकाइयाँ: मिमी से सेमी)
लेज़र का बीम व्यास बीम के पार्श्व विस्तार, या प्रसार की दिशा के लंबवत इसके भौतिक आकार को दर्शाता है। इसे आमतौर पर 1/e2 चौड़ाई के रूप में परिभाषित किया जाता है, जो 1/e2 (=13.5%) तक बीम की तीव्रता की चौड़ाई है। 1/e2 बिंदु पर, विद्युत क्षेत्र की तीव्रता 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 हो सकता है।
8: शक्ति या ऊर्जा घनत्व (विशिष्ट इकाइयाँ: W/cm2 से MWicm2 या uJ/cm2 से J/cm2)
बीम का व्यास लेजर बीम की शक्ति/ऊर्जा घनत्व से संबंधित है। ऊर्जा घनत्व, या प्रति इकाई क्षेत्र ऑप्टिकल पावर/ऊर्जा की मात्रा। बीम का व्यास जितना बड़ा होगा, स्थिर शक्ति या ऊर्जा के लिए बीम की शक्ति/ऊर्जा घनत्व उतना ही कम होगा। सिस्टम के अंतिम आउटपुट पर उच्च शक्ति/ऊर्जा घनत्व अक्सर वांछनीय होता है (उदाहरण के लिए लेजर कटिंग या वेल्डिंग में), लेकिन लेजर-प्रेरित क्षति को रोकने के लिए सिस्टम के अंदर कम बिजली/ऊर्जा सांद्रता अक्सर फायदेमंद होती है। यह बीम के उच्च शक्ति/ऊर्जा घनत्व वाले क्षेत्रों को हवा को आयनित करने से 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 का बहुत अधिक विस्तार न हो ताकि यह सिस्टम में एपर्चर से अवरुद्ध हो जाए, जिसके परिणामस्वरूप ऊर्जा बर्बाद होगी और संभावित क्षति होगी।
9: बीम प्रोफाइल
लेज़र का बीम प्रोफ़ाइल बीम के क्रॉस-सेक्शन पर वितरित तीव्रता का वर्णन करता है। सामान्य बीम प्रोफाइल में गॉसियन बीम और फ्लैट-टॉप बीम शामिल हैं, जिनकी बीम प्रोफाइल क्रमशः गॉसियन फ़ंक्शन और फ्लैट-टॉप फ़ंक्शन का पालन करती हैं (चित्रा 4)। हालाँकि, कोई भी लेज़र पूरी तरह से गाऊसी या पूरी तरह से फ्लैट-टॉप बीम का उत्पादन नहीं कर सकता है, जो कि बीम प्रोफाइल से बिल्कुल मेल खाता हो, क्योंकि लेज़र के अंदर हमेशा एक निश्चित मात्रा में हॉट स्पॉट या उतार-चढ़ाव होता है। लेज़र की वास्तविक बीम प्रोफ़ाइल और आदर्श बीम प्रोफ़ाइल के बीच का अंतर अक्सर लेज़र के एम2 कारक सहित मैट्रिक्स द्वारा वर्णित किया जाता है
गॉसियन और फ्लैट टॉप बीम प्रोफाइल
चित्र 4: गॉसियन बीम और समान औसत शक्ति या तीव्रता के फ्लैट टॉप बीम के बीम प्रोफाइल की तुलना से पता चलता है कि गॉसियन बीम की चरम तीव्रता फ्लैट टॉप बीम से दोगुनी है।
10: विचलन (विशिष्ट इकाइयाँ: mrad)
जबकि लेज़र बीम को अक्सर कोलिमेटेड माना जाता है, उनमें हमेशा एक निश्चित मात्रा में विचलन होता है, जो विवर्तन के कारण लेज़र की बीम कमर से बढ़ती दूरी पर बीम के विचलन की डिग्री का वर्णन करता है। लंबी कार्य दूरी के 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 अक्सर लेज़र के आधे कोण द्वारा परिभाषित किया जाता है, और गॉसियन बीम (0) के विचलन को इस प्रकार परिभाषित किया जाता है:
W लेज़र की तरंग दैर्ध्य है और w0 लेज़र की बीम कमर है
अंतिम सिस्टम पैरामीटर
ये अंतिम पैरामीटर आउटपुट पर लेजर सिस्टम के प्रदर्शन का वर्णन करते हैं
11: स्पॉट आकार (सामान्य इकाइयाँ: उम)
एक केंद्रित लेजर बीम का स्पॉट आकार फोकसिंग लेंस प्रणाली के फोकस 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 विशेष 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 बजाय अक्सर एस्फेरिक लेंस का उपयोग किया जाता है। कुछ प्रकार के लेज़र सिस्टम अंततः लेज़र को किसी स्थान पर केंद्रित नहीं करते हैं, ऐसी स्थिति में यह पैरामीटर लागू नहीं होता है।
चित्र 5: इटालियन इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी में लेजर माइक्रोमशीनिंग प्रयोगों से पता चलता है कि जब निरंतर प्रवाह दर पर स्पॉट का आकार 220um से 9um तक कम हो जाता है, तो नैनोसेकंड लेजर ड्रिलिंग सिस्टम में एब्लेशन दक्षता में 10- गुना वृद्धि होती है।
12: कार्य दूरी (सामान्य इकाइयाँ: उम से मी)
लेज़र सिस्टम की कार्यशील दूरी को आम तौर पर अंतिम ऑप्टिकल तत्व (आमतौर पर एक फोकसिंग लेंस) से उस वस्तु या सतह तक भौतिक दूरी के रूप में परिभाषित किया जाता है जिस पर लेज़र केंद्रित होता है। कुछ अनुप्रयोग, जैसे मेडिकल लेज़र, आम तौर पर कार्य दूरी को कम करने का प्रयास करते हैं, जबकि अन्य, जैसे रिमोट सेंसिंग, आमतौर पर अपनी कार्य दूरी सीमा को अधिकतम करने का लक्ष्य रखते हैं।
