Как найти энергию импульса лазера

Если Вы пытаетесь вычислить количество энергии, которая содержится в ваших лазерных импульсах, Вы либо работаете с импульсным лазером и хотите знать энергию в каждом отдельном импульсе, либо работаете с непрерывным или импульсным лазером, который работает в течении известного и конечного времени.

Не волнуйтесь, в обоих случаях уравнения просты:

Для импульсного лазера Вам нужно будет разделить среднюю мощность вашего лазерного источника на частоту следования импульсов. Спецификации на лазеры обычно предоставляют оба эти параметра, но для лучшей точности их также можно измерить с помощью подходящих инструментов.

Например, измеритель мощности лазерного излучения компании Gentec-EO может использоваться для измерения средней мощности.

Импульсный лазер: Энергия импульса (Джоули) = Средняя мощность (Вт) / Частота следования импульсов (Герц)

Приведем некоторые реальные значения и предположим, что Вы работаете с лазером, который имеет фиксированную выходную мощность 200 Вт и частоту следования импульсов, которую можно регулировать от 20 Гц до 1 кГц. Если Вы установите значение в 20 Гц, мы получим 200 Вт / 20 Гц = 10 Дж на импульс.

Чтобы обеспечить постоянную мощность на выходе в 200 Вт с 20 импульсами, срабатывающими каждую секунду, каждый из ваших импульсов должен содержать 10 Дж энергии.

Если Вы установили частоту 1 кГц (1000 импульсов каждую секунду), то в каждом импульсе мы имеем 200 Вт / 1000 Гц = 0,2 Дж = 200 мДж. При фиксированной средней мощности чем выше частота повторения, тем меньше энергия в импульсе.

Для непрерывного или импульсного лазера, который запускается в течение известного и конечного времени, Вам нужно будет умножить среднюю мощность вашего источника на это время, которое часто называют «Длительность импульса».

Как упоминалось ранее, средняя мощность вашего источника обычно является величиной, указанной в его спецификации.

Что касается времени, в течение которого вы собираетесь запускать лазер, то, по очевидным причинам, спецификация на лазер не знает об этом, кроме случаев, когда лазер заранее запрограммирован на определенную длительность импульса, которую вы можете использовать.

Непрерывный или импульсный лазер: Энергия импульса (Джоули) = Средняя мощность (Вт) * Длительность импульса (Секунды)

Давайте снова используем некоторые реальные значения и предположим, что вы работаете с непрерывным лазером, который выдает мощность излучения 500 Вт. Если вы облучаете этим лазером объект ровно 5 секунд, то у Вас есть 500 Вт * 5 с = 2500 Дж.

Это общее количество энергии, которое Вы направили на этот объект в течение этого длинного импульса.

Другой пример: если ваш 500 Вт лазер имеет запрограммированную длительность импульса 200 мс, это даст Вам 500 Вт * 0,2 с = 100 Дж от общей энергии. Полная энергия может контролироваться путем модуляции ширины / длительности импульса.

Почему вычисление / измерение энергии импульса важно?

• Непрерывные лазеры
• Импульсные лазеры
• Типы импульсных лазеров по длительности импульса
• Квази лазер
• Применение импульсных и непрерывных лазеров
• Лазерная очистка импульсным и непрерывным лазером
• Лазерная резка импульсным и непрерывным лазером
• Лазерная сварка импульсным и непрерывным лазером
• Отличия непрерывного и импульсного лазеров

Лазеры всех типов могут работать с помощью одного из двух режимов: лазерные лучи могут быть импульсными и непрерывными. Импульсный лазер также делится на:

• миллисекундный; 
• микросекундный;
• наносекундный; 
• пикосекундный;
• фемтосекундный;
• аттосекундный лазер.

Непрерывные лазеры

В лазерах с непрерывной волной существует постоянный поток энергии, то есть он постоянно излучает один непрерывный лазерный луч. Самый распространенный пример — непрерывный луч лазерной указки. Лазеры непрерывной волны обычно используются для лазерной резки, сварки и очистки.

Интенсивность светового потока (энергии) постоянна во времени и характеризуется количеством генерируемой мощности в ваттах (Вт). Примером непрерывного лазера является лазерная указка, которая излучает непрерывный луч видимого света малой мощности. Но они могут быть и очень мощными до 1000 Вт.

 

Рис. 1. Непрерывный луч лазерной указки

Проектирование регулируемого непрерывного лазера включает дополнительный фильтрующий элемент в резонаторе — обычно двулучепреломляющий фильтр (фильтр Лиота). 

Двулучепреломляющий фильтр необходим для: 

• Сужения полосы пропускания и, вращая фильтр, обеспечивает плавную перестройку. 
• Фильтра также используется в качестве заводской настройки для фиксации длины волны на точном значении, когда широкополосные лазеры должны быть предварительно настроены на определенную длину волны в зависимости от применения. Это обычно происходит с полупроводниковыми лазерами с оптической накачкой (OPSL), которые могут быть настроены на нужную длину волны в пределах их рабочего диапазона от 5 до 10 нм.

При использовании непрерывных лазеров в большинстве случаев требуется, чтобы мощность была как можно более стабильной в течение длительного времени, а также в течение короткого времени (микросекунды), в зависимости от конкретного применения. Для обеспечения стабильности, в том числе в условиях изменяющихся условий окружающей среды, таких как температура, вибрация и изменение параметров самого лазера, применяются микропроцессорные контуры управления. Например, Nd-лазер с диодной накачкой будет иметь сервоприводы для регулировки температуры и выходной мощности диодов накачки для поддержания стабильной выходной мощности резонатора. Кроме того, другие сервоприводы могут контролировать идеальное выравнивание зеркал резонатора.

 

Рис. 2. Параметры излучения лазерного света

Импульсные лазеры 

В импульсных лазерах луч прерывается через определенные промежутки времени, чтобы энергия могла накопиться и достичь более высокой пиковой мощности, чем в лазерах с непрерывной волной. Лазерный луч выпускается в виде импульсов, которые имеют определенную длительность. Такая высокая плотность энергии необходима для многих применений, таких как точечная сварка и гравировка.

Импульсные лазерные устройства производят импульсы длительностью от 0,5 до 500 нс. Данный режим работы лазера применяется для научных экспериментов и производственных процессов, связанных с абляцией или другими видами обработки материалов. Наиболее важной характеристикой наносекундного импульсного лазера является способность очень быстро «накапливать» и высвобождать энергию, т.е. в наносекундном масштабе лазерный выход может достигать пиковой мощности от десятков киловатт до мегаватт. Именно такая высокая пиковая мощность позволяет проводить абляционную обработку материалов. Кроме того, высокая пиковая мощность позволяет осуществлять оптические нелинейные процессы, основанные на взаимодействии более чем одного фотона с веществом.

Пиковая мощность = энергия одиночного импульса / длительность импульса; Средняя мощность = энергия одиночного импульса частота повторения.

Импульсные лазеры функционируют в различных режимах. В режиме свободной генерации импульс ла­зерного излучения появляется под действием импульса накачки в его начале и прекращается на его спаде. Поэтому длительность лазерного излучения в значи­тельной степени определяется длительностью импуль­са накачки. Лазеры с относительно большой продол­жительностью жизни возбужденного уровня могут ра­ботать в режиме с модуляцией добротности резонато­ра.

Рис. 3. Лазер с модуляцией добротности

Работа импульсного лазера существенно отличается от работы непрерывного. Чтобы создать и произвести каждый импульс, свет успевает совершить очень мало круговых оборотов в резонаторе лазера, и простой двухзеркальный резонатор на основе частично пропускающего зеркала не может производить такие энергичные и короткие импульсы. Ключом к получению таких энергичных импульсов является сохранение энергии накачки в атомах или молекулах излучающей среды путем предотвращения лазерного усиления.

Длительность импульса зависит от нескольких параметров: типа среды усиления и количества энергии, которое она может накопить, длины резонатора, частоты повторения импульсов и энергии накачки. Лазеры с модуляцией добротности, обычно используемые в промышленности, могут производить среднюю мощность до десятков или сотен ватт и частоту повторения до 10 Гц или до 200 кГц. Большинство промышленных процессов происходит в режиме от килогерца до десятков килогерц.

Типы импульсных лазеров по длительности импульса

Импульсные лазеры делятся на несколько категорий в зависимости от длительности их импульсов.

Для управления количеством импульсов в секунду используется модулятор. Каждый импульс имеет точную длительность, называемую длительностью импульса, длиной импульса или шириной импульса. Длительность импульса — это время между началом и концом импульса.

Для импульса лазерных лучей используется несколько методов модуляции: q-переключение, переключение усиления и блокировка мод — вот некоторые примеры. Чем короче импульс, тем выше энергетический пик. Наиболее распространенные единицы, используемые для выражения длительности импульса:

Миллисекунды (одна тысячная секунды) — самые длинные единицы времени, используемые для выражения длительности импульса, и, следовательно, имеют самые низкие энергетические пики. Например, импульсы лазерной эпиляции могут составлять от 5 мс до 60 мс в зависимости от толщины волос.

Микросекунды (одна миллионная доля секунды), вероятно, наименее распространенная длительность импульса. Они могут использоваться для обработки материалов, но следующие длительности импульса используются чаще, поскольку они обеспечивают большую точность. Микросекундные лазеры также могут использоваться для таких задач, как спектроскопия и удаление волос.

Наносекунды (одна миллиардная доля секунды) — очень распространенная длительность импульса, используемая в таких приложениях, как лазерная обработка материалов, измерение расстояний и дистанционное зондирование. Laserax, например, использует наносекундные волоконные лазеры для лазерной маркировки, очистки, текстурирования и гравировки.

Пикосекунды (одна триллионная доля секунды) и фемтосекунды (одна квадриллионная доля секунды) — самые короткие длительности импульсов, поэтому используются термины «ультракороткие импульсы» и «сверхбыстрые лазеры». Эти лазеры обеспечивают наиболее точные результаты и имеют наименьшие зоны теплового воздействия. Это предотвращает нежелательное плавление и позволяет делать очень точные гравировки. Они используются в обработке материалов, медицине (например, в глазной хирургии), микроскопии, измерениях и телекоммуникациях.

 

Рис. 4. Импульсный излучатель (источник) JPT LP 30 W

Главным преимуществом импульсной генерации является возможность достижения максимальной пиковой мощности. Если в непрерывном режиме твердотельные лазеры достигают показателя мощности генерации в 1 – 3 кВт, то средняя мощность импульсного лазера достигает 10 кВт при работе в режиме свободной генерации и при длительности импульса 10-3 — 10-4с. Это открывает большие возможности в промышленности, медицине и других сферах применения лазерных технологий.

Оптимальным методом импульсной генерации является модуляция добротности резонатора. Для этих целей в резонатор вносятся дополнительные оптические потери, вследствие чего происходит накопление мощности в импульсе. Наиболее распространенными импульсными лазерами являются волоконные и неодимовые (на кристалле иттрий-алюминиевого граната, легированного ионами неодима). Также широко используются полупроводниковые лазеры.

Квази лазер

Квази лазеры стоят между непрерывными волоконными лазерами киловаттного класса и импульсными лазерами с модуляцией добротности. Они очень похожи на волоконные лазеры киловаттного класса с одним существенным отличием: их пиковая мощность во время импульса до десяти раз выше их же средней мощности в чисто непрерывном режиме работы

Рис. 5. Квазинепрерывный режим

Применение импульсных и непрерывных лазеров

Лазерная очистка импульсным и непрерывным лазером 

Импульсное оборудование для очистки деликатнее обрабатывает поверхность, при этом имеет большую цену и медленнее скорость очистки. Лазер непрерывного действия способен удалить более серьезные загрязнения, но при этом может нанести незначительный урон материалу, например счищая слой ржавчины, снять небольшой слой заготовки.

Рис. 6. Процесс импульсной очистки 

Лазерная резка импульсным и непрерывным лазером 

Резать материал можно как импульсным, так и непрерывным лазерным оборудованием для резки. Непрерывный режим чаще всего применяется для резки стандартного контура металла и пластика толщиной от миллиметра до сантиметра.

Для вырезания отверстий и получения точных контуров используются низкочастотные импульсные лазеры

Импульсно-периодическое излучение целесообразно в тех случаях, когда необходима прецизионная резка или когда нужно получить пазы и щели (сквозные и несквозные) малых размеров и высокой точности.

Рис. 7. Высокомощная лазерная резка YAG

Лазеры непрерывного действия на СО2 применяют для лазерной резки, при которой в зону воздействия лазерного луча подается струя газа. Газ выбирают в зависимости от вида обрабатываемого материала. 

При резке дерева, фанеры, пластиков, бумаги, картона, текстильных материалов в зону обработки подается воздух или инертный газ, которые охлаждают края реза, препятствуют горению материала и расширению реза.

При резке большинства металлов, стекла, керамики струя газа выдувает из зоны воздействия луча расплавленный материал, что позволяет получать поверхности с малой шероховатостью и обеспечивает высокую точность реза. 

При резке железа, малоуглеродистых сталей и титана в зону нагрева подается струя кислорода. 

Лазерная сварка импульсным и непрерывным лазером 

 Для сварки используют твердотельные и газовые лазеры импульсного и непрерывного действия. При непрерывном излучении длительность определяется временем экспонирования, а при импульсном — длительностью импульса. 

Скорость сварочного оборудования с непрерывным излучением в несколько раз превышает скорости традиционных способов сварки плавлением. Непрерывным лазерным лучом стальной лист сваривается со скоростью 100 м/ч за 1 проход при ширине шва в 5 мм.

Основные параметры режима импульсной лазерной сварки — это энергия и длительность импульсов, диаметр сфокусированного излучения, частота следования импульсов, положение фокального пятна относительно поверхности свариваемых деталей. Однако лазерная сварка с импульсным излучением по скорости сопоставима с традиционными способами сварки.

При работе в импульсном режиме существенный недостаток твердотельного лазера — низкий КПД (0,01…2,0%). Более высокую мощность и больший КПД обеспечивают лазеры, работающие в непрерывном режиме.

Рис. 8. Импульсная и лазерная сварка 

Отличия непрерывного и импульсного лазеров

Лазеры определяются типом среды, которую они используют, например, газ, краситель, твердотельный или эксимерный. Разница между лазером с непрерывной волной (cw) и импульсным лазером с модуляцией добротности характеризуется длиной и продолжительностью лазерного излучения.

Лазер с непрерывной волной работает со стабильной или непрерывной выходной мощностью. Выходная мощность непрерывного лазера обычно измеряется в ваттах. Лазер с модуляцией добротности обычно классифицируется как импульсный лазер, поскольку его выходной сигнал характеризуется импульсами энергии, которые возникают с определенной частотой следования импульсов. Внутри резонатора лазера с модуляцией добротности находится нелинейный кристалл, известный как переключатель добротности, который не допускает никакого высвобождения лазерного излучения до его открытия. Это означает, что в лазере с модуляцией добротности накапливается энергия, которая затем высвобождается при открытии модулятора добротности, и это может привести к очень сильному лазерному импульсу. Эти импульсы обычно имеют длительность импульса 1-5 нс (в зависимости от конструкции резонатора) и имеют пиковую мощность в диапазоне мегаватт.

 

Способ классификации	Категория лазера	Особенности
Классификация по режиму работы	Непрерывный лазер	Возбуждение рабочего материала и соответствующий лазерный выход может осуществляться непрерывно в большом диапазоне времени
Импульсный лазер	Он относится к лазеру с длительностью одного лазерного импульса менее 0,25 секунды и работает только один раз с определенным интервалом. Он имеет большую выходную пиковую мощность и подходит для лазерной маркировки, резки и ранжирования.
Классификация по длительности импульса	Миллисекундный лазер (MS)	10-3S
Микросекундный лазер (US)	10-6S
Наносекундный лазер (NS)	10-9S
Пикосекундный лазер (PS)	10-12S
Фемтосекундный лазер (FS)	10-15S

Лазеры непрерывного действия могут быть только с лазерной накачкой, импульсные — с лазерной или ламповой. Однако каждый такой лазер включает два — для накачки ( например, аргоновый) и для генерации.

Импульсные Nd:YAG лазеры работают только в импульсном режиме, диодные лазеры работают в непрерывном режиме, а волоконные лазеры могут работать как в импульсном, так и в непрерывном режиме.

Некоторые материалы — например, возбужденные димеры (или «эксимеры») инертного газа с галогеном, такие как ArF и XeCl — поддерживают лазерное излучение только в течение короткого периода в несколько наносекунд. Другие лазеры, например Nd- или Yb-лазеры с диодной накачкой (DPSS), могут работать как в постоянном, так и в импульсном режиме. Лазерные диоды или OPSL, вообще не подходят для импульсных операций. 

Отличить лазер с непрерывной волной от лазера с модуляцией добротности несложно. Однако в конечном итоге именно тип работы и материал будут определять, какой из них подойдет лучше всего.

На что вы смотрите в первую очередь при выборе аппарата? Как правило, это выходная мощность диодного лазера, верно? Но давайте мы объясним вам, почему это не критерий для выбора оборудования.

Выходная мощность не является показателем эффективности диодного лазера. Китайские производители диодных лазеров, чтобы заявить свое преимущество, ввели бессмысленную гонку, постоянно увеличивая мощность излучателей не только на словах, но иногда даже на деле. Эту идею подхватили маркетологи, чтобы хоть как-то привлечь клиентов на невзрачный товар. Обычно эти параметры рисуются такими, какими их хочет видеть продавец или покупатель и в 90% случаев не соответствуют действительности.

То есть, если вы видите перед собой лазер мощностью 1000 W и 400 W, то вы не сможете определить какой из этих лазеров лучше справится со своей задачей.

Так на что же нужно обращать внимание?

Основные параметры для результативного удаления волос:

• плотность энергии
• длительность импульса.

Плотность энергии

Плотностью энергии показывает какое количество энергии поступает на единицу площади (Дж/см2). Это основной параметр, на который нужно смотреть при выборе аппарата для эпиляции. Плотность энергии должна распределяться равномерно по всей поверхности рабочего окна и соответствовать выдаваемой. Если в программе установлено значение 20 Дж/см2, то на выходе должно быть тоже самое значение.

Высокий показатель плотности коррелирует с более выраженным эффектом удаления волос. Но при этом и вероятность появления нежелательных побочных эффектов тоже выше.

Рекомендуемая плотность энергии воздействия указываются на лазерных устройствах, но она скорее предназначена для неопытных операторов. Более правильный метод определения оптимальной плотности потока для конкретного пациента – это оценить достижение требуемого клинического результата по перифолликулярной эритеме и отеку. 

Таким образом, наилучший эффект воздействия покажет самая высокая плотность потока энергии, которая будет переносима для пациента. Клинический результат должен быть без неприятных эффектов.

Оптимальной рабочей плотностью энергии будет показатель 20-40 Дж/см2.

Длительность импульса

Этот параметр определяется как время облучения лазером в миллисекундах. 

Теория селективного фототермолиза позволяет специалисту выбирать оптимальную длительность импульса, исходя из времени тепловой релаксации. 

Например, терминальный волос, имеющий диаметр около 300 мкм, имеет расчетное время тепловой релаксации примерно 100 мс.

Однако, в отличие от многих других областей применения лазеров, волосяной фолликул характеризуется пространственным разделением хромофора (меланина) в волосяном стержне и биологической «мишени» — стволовых клеток в области уширения фолликула и в волосяной луковице. Расширенная теория селективного фототермолиза учитывает это пространственное разделение и вводит время теплового повреждения, которое считается более длительным, чем время тепловой релаксации. 

Более короткие импульсы также могут служить удалению волос, но не так эффективны для долгосрочного результата. Более длинные импульсы более избирательны по отношению к меланину внутри волосяного фолликула и могут минимизировать повреждения кожи. Потому как продолжительность импульса дольше, чем время тепловой релаксации меланосом и меланоцитов в эпидермисе.

Как выбрать эффективный лазерный аппарат?

Плотность энергии формируется выходной мощностью излучателя, длительностью импульса (воздействия) и размером рабочего окна.

Чем меньше выходная мощность излучателя, тем больше будет длительность импульса для получения необходимой плотности энергии и наоборот.

Для примера возьмем 2 аппарата. У одного устройства фактическая мощность 1000 Вт, у второго 4000 Вт.

Аппарат №1, с фактической мощностью 1000 Вт имеет размер светового окна 10*10мм.

Рассчитываем его плотность энергии:

1000 (Вт) * 0,04 сек / 1 см2 = 40 Дж/см2

Аппарат №2 с заявленной выходной мощностью 4000 Вт, имеющий тот же размер окна 10*10мм имеет такую же плотность энергии:

(4000Вт*0,01 сек) / 1см2 = 40 Дж/см2

В обоих случаях плотность энергии получилась одинаковая. Полученная плотность энергии укладывается в стандарты. Процедура при таких параметрах должна показать одинаковый результат.

Но! Мы упустили такой параметр, как длительность импульса!

При выходной мощности 4000 Вт, чтобы достичь необходимой плотности энергии импульса, длительность импульса нужно сократить до 10 мсек. 

Короткий и мощный импульс, согласно расширенной теории селективного фототермолиза, будет недостаточным для достижения долгосрочных результатов.

Вам также может быть интересно: «Лучший диодный лазер и его технические параметры«.