Wellenlänge, Leistung und Energie, Wiederholungsrate, Kohärenzlänge usw., Laserterminologie.

Wellenlänge (übliche Einheiten: nm bis µm):

Die Wellenlänge eines Lasers beschreibt die Ortsfrequenz der emittierten Lichtwelle. Die optimale Wellenlänge für einen bestimmten Anwendungsfall hängt stark von der Anwendung ab. Während der Materialverarbeitung weisen verschiedene Materialien unterschiedliche Wellenlängenabsorptionseigenschaften auf, was zu unterschiedlichen Wechselwirkungen mit den Materialien führt. Ebenso können atmosphärische Absorption und Interferenzen bei der Fernerkundung bestimmte Wellenlängen unterschiedlich beeinflussen, und bei medizinischen Laseranwendungen absorbieren unterschiedliche Hautfarben bestimmte Wellenlängen unterschiedlich. Laser und Laseroptiken mit kürzerer Wellenlänge haben Vorteile bei der Erzeugung kleiner, präziser Merkmale, die aufgrund kleinerer fokussierter Punkte eine minimale periphere Erwärmung erzeugen. Allerdings sind sie im Allgemeinen teurer und anfälliger für Beschädigungen als Laser mit längerer Wellenlänge.

Leistung und Energie (übliche Einheiten: W oder J):

Die Laserleistung wird in Watt (W) gemessen und dient zur Beschreibung der optischen Leistung eines Dauerstrichlasers (CW) oder der durchschnittlichen Leistung eines gepulsten Lasers. Darüber hinaus zeichnet sich ein gepulster Laser dadurch aus, dass seine Pulsenergie direkt proportional zur Durchschnittsleistung und umgekehrt proportional zur Pulswiederholungsrate ist. Die Energieeinheit ist Joule (J).

Pulsenergie = durchschnittliche Leistungswiederholungsrate Pulsenergie = durchschnittliche Leistungswiederholungsrate.

Laser mit höherer Leistung und Energie sind in der Regel teurer und erzeugen mehr Abwärme. Mit steigender Leistung und Energie wird es immer schwieriger, eine hohe Strahlqualität aufrechtzuerhalten.

Impulsdauer (übliche Einheiten: fs bis ms):

Die Laserpulsdauer oder (d. h. Pulsbreite) wird im Allgemeinen als die Zeit definiert, die der Laser benötigt, um die Hälfte seiner maximalen optischen Leistung (FWHM) zu erreichen. Ultraschnelle Laser zeichnen sich durch kurze Pulsdauern aus, die von Pikosekunden (10–12 Sekunden) bis zu Attosekunden (10–18 Sekunden) reichen.

Wiederholungsrate (übliche Einheiten: Hz bis MHz):

Die Wiederholungsrate eines gepulsten Lasers oder die Pulswiederholungsfrequenz beschreibt die Anzahl der pro Sekunde emittierten Pulse, die der Kehrwert des sequentiellen Pulsabstands ist. Wie bereits erwähnt, ist die Wiederholungsrate umgekehrt proportional zur Pulsenergie und direkt proportional zur Durchschnittsleistung. Obwohl die Wiederholungsrate normalerweise vom Laserverstärkungsmedium abhängt, kann die Wiederholungsrate in vielen Fällen variieren. Je höher die Wiederholungsrate, desto kürzer ist die thermische Relaxationszeit an der Oberfläche der Laseroptik und am endgültig fokussierten Punkt, wodurch sich das Material schneller erwärmt.

Kohärenzlänge (übliche Einheiten: mm bis cm):

Laser sind kohärent, das heißt, es besteht eine feste Beziehung zwischen den Phasenwerten des elektrischen Feldes zu unterschiedlichen Zeiten oder Orten. Dies liegt daran, dass Laserlicht im Gegensatz zu den meisten anderen Arten von Lichtquellen durch stimulierte Emission erzeugt wird. Die Kohärenz nimmt während der Ausbreitung allmählich ab, und die Kohärenzlänge eines Lasers definiert die Entfernung, über die seine zeitliche Kohärenz eine bestimmte Qualität beibehält.

Polarisation:

Die Polarisation definiert die Richtung des elektrischen Feldes einer Lichtwelle, die immer senkrecht zur Ausbreitungsrichtung verläuft. In den meisten Fällen ist Laserlicht linear polarisiert, das heißt, das emittierte elektrische Feld zeigt immer in die gleiche Richtung. Unpolarisiertes Licht erzeugt elektrische Felder, die in viele verschiedene Richtungen zeigen. Der Polarisationsgrad wird üblicherweise als Verhältnis der optischen Leistung zweier orthogonaler Polarisationszustände ausgedrückt, beispielsweise 100:1 oder 500:1.

Strahldurchmesser (übliche Einheiten: mm bis cm):

Der Strahldurchmesser eines Lasers stellt die seitliche Ausdehnung des Strahls oder die physikalische Größe senkrecht zur Ausbreitungsrichtung dar. Sie wird normalerweise bei einer Breite von 1/e2 definiert, d. h. dem Punkt, an dem die Strahlintensität 1/e2 (≈ 13,5 %) ihres Maximalwerts erreicht. Am 1/e2-Punkt sinkt die elektrische Feldstärke auf 1/e (≈ 37 %) ihres Maximalwertes. Je größer der Strahldurchmesser, desto größer sind die Optik und das Gesamtsystem, die erforderlich sind, um eine Strahlbeschneidung zu vermeiden, was zu höheren Kosten führt. Durch die Reduzierung des Strahldurchmessers erhöht sich jedoch die Leistungs-/Energiedichte, was ebenfalls nachteilige Auswirkungen haben kann.

Leistungs- oder Energiedichte (übliche Einheiten: W/cm2 bis MW/cm2 oder µJ/cm2 bis J/cm2):

Der Strahldurchmesser hängt von der Leistungs-/Energiedichte des Laserstrahls ab (d. h. der optischen Leistung/Energie pro Flächeneinheit). Wenn die Leistung oder Energie des Strahls konstant ist, ist die Leistungs-/Energiedichte umso kleiner, je größer der Strahldurchmesser ist. Laser mit hoher Leistung/Energiedichte sind in der Regel die ideale Endleistung des Systems (z. B. bei Laserschneid- oder Laserschweißanwendungen), aber eine niedrige Leistungs-/Energiedichte des Lasers ist innerhalb des Systems oft von Vorteil und verhindert laserinduzierte Schäden. Dies verhindert auch, dass die Bereiche mit hoher Leistung/hoher Energiedichte des Strahls die Luft ionisieren. Aus diesen Gründen werden häufig Strahlaufweiter verwendet, um den Durchmesser zu vergrößern und so die Leistungs-/Energiedichte im Lasersystem zu verringern. Es muss jedoch darauf geachtet werden, dass der Strahl nicht so stark aufgeweitet wird, dass er in der Öffnung des Systems eingeklemmt wird, was zu Energieverschwendung und möglichen Schäden führen kann.