Zasada działania i zastosowanie lasera na ciele stałym

Solidny Laserto laser wykorzystujący stały materiał laserowy jako substancję roboczą. Laser rubinowy wynaleziony przez TH Maimana w 1960 roku był laserem na ciele stałym i pierwszym laserem na świecie. Lasery stałe składają się zazwyczaj z materiału roboczego, źródła wzbudzenia, wnęki skupiającej, reflektora wnęki rezonansowej i zasilacza.

Stały materiał roboczy stosowany w tego typu laserach jest wytwarzany przez domieszkowanie jonów metali, które mogą powodować emisję wymuszoną do kryształu. Istnieją trzy główne typy jonów metali, które mogą powodować emisję wymuszoną w ciałach stałych: (1) jony metali przejściowych (takie jak Cr3 plus); (2) większość lantanowców jonów metali (takich jak Nd3 plus, Sm2 plus, Dy2 plus itp.); (3) aktyn Jest to jon metalu (np. U3 plus ). Główne cechy tych jonów metali domieszkowanych w stałej matrycy to: stosunkowo szerokie efektywne pasmo widma absorpcji, stosunkowo wysoka wydajność fluorescencji, stosunkowo długi czas życia fluorescencji i stosunkowo wąskie linie widmowe fluorescencji, przez co są one podatne na inwersję liczby cząstek i emisję wymuszoną. Do sztucznych kryształów stosowanych jako matryca krystaliczna zaliczają się głównie: korund (NaAlSi2O6), granat itrowo-glinowy (Y3Al5, O12), wolframian wapnia (CaWO4), fluorek wapnia (CaF2) itp., a także glinian itru (YAlO3), beryl lantan kwas (La2Be2O5) itp. Stosowanym podłożem szklanym jest głównie wysokiej jakości krzemianowe szkło optyczne, takie jak powszechnie stosowane szkło koronowe barowe i szkło koronowe wapniowe. W porównaniu z matrycami krystalicznymi, głównymi cechami matryc szklanych jest łatwość przygotowania i łatwa dostępność wysokiej jakości materiałów w dużych rozmiarach. Główne wymagania dotyczące kryształów i podłoży szklanych to: łatwe wprowadzanie luminescencyjnych jonów metali w celu aktywacji; dobre właściwości widmowe, właściwości przepuszczalności optycznej i wysoki stopień jednorodności optycznej (współczynnik załamania światła); właściwości fizyczne odpowiednie do długotrwałej pracy lasera oraz właściwości chemiczne (takie jak właściwości termiczne, właściwości zapobiegające degradacji, stabilność chemiczna itp.). Lasery kryształowe są zazwyczaj reprezentowane przez rubin (Al2O3: Cr3 plus ) i granat itrowo-glinowy domieszkowany neodymem (w skrócie YAG: Nd3 plus ). Lasery szklane są zazwyczaj reprezentowane przez lasery ze szkła neodymowego.

Stały materiał roboczy lasera

Materiał roboczy lasera na ciele stałym składa się z optycznie przezroczystego kryształu lub szkła jako materiału matrycy, domieszkowanego jonami aktywującymi lub innymi substancjami aktywującymi. Ta substancja robocza powinna ogólnie charakteryzować się dobrymi właściwościami fizyko-chemicznymi, wąskimi liniami widmowymi fluorescencji, mocnymi i szerokimi pasmami absorpcji oraz wysoką wydajnością kwantową fluorescencji.

Szklane materiały do ​​obróbki laserem można łatwo przekształcić w jednolite materiały o dużych rozmiarach i można je stosować w laserach wysokoenergetycznych lub o dużej mocy szczytowej. Jednak jego linia widma fluorescencji jest szersza, a jego właściwości termiczne są słabe, co czyni go nieodpowiednim do pracy przy dużej średniej mocy. Typowe szkła neodymowe obejmują szkła krzemianowe, fosforanowe i fluorofosforanowe. Na początku lat 80-tych z sukcesem opracowano szkło neodymowe o ujemnym współczynniku temperaturowym współczynnika załamania światła, które może być stosowane w laserach średniej i małej energii o dużej częstotliwości powtarzania.

Materiały robocze lasera kryształowego mają na ogół dobre właściwości termiczne i mechaniczne oraz wąskie linie widmowe fluorescencji, ale technologia wzrostu kryształów w celu uzyskania wysokiej jakości materiałów o dużych rozmiarach jest skomplikowana. Od lat sześćdziesiątych XX wieku ponad 300 rodzajów kryształów tlenków i fluorków domieszkowanych różnymi metalami ziem rzadkich lub jonami metali przejściowych osiągnęło oscylację lasera. Powszechnie stosowane kryształy laserowe obejmują rubin (Cr:Al2O3, długość fali 6943 angstremów), granat itrowo-glinowy domieszkowany neodymem (Nd:Y3Al5O12, określany jako Nd:YAG, długość fali 1,064 mikrona), fluorek litowo-itru (LiYF4, określany jako YLF; Nd:YLF, długość fali 1,047 lub 1,05 mikrona; Ho:Er:Tm:YLF, długość fali 2,06 mikrona) itp.

Od 1973 roku istnieje inny rodzaj samoaktywującego się kryształu laserowego. Jego aktywowane jony są chemicznym składnikiem kryształu, więc stężenie aktywowanych jonów jest wysokie i nie nastąpi wygaszanie fluorescencji. Kryształ ten ma wysokie wzmocnienie lasera i niski próg ekstrakcji. Główne odmiany obejmują pentafosforan neodymu (NdP5O14), tetrafosforan neodymu litu (NdLiP4O12) i neodymowy boran glinu (NdAl3(BO4)3). Uprawia się je najczęściej metodą stopionej soli i mają małe rozmiary kryształów, dzięki czemu można je stosować w małych laserach na ciele stałym.

Opracowano różnorodne przestrajalne kryształy laserowe o charakterystyce szerokopasmowej fluorescencji, takie jak chryzoberyl z końcowym przejściem fononowym (Cr:BeAl2O4, długość fali 0.701-0,815 mikronów, pracujące w temperaturze pokojowej), nikiel- domieszkowany fluorek magnezu (Ni: MgF2, długość fali 1,6 ~ 1,8 mikrona, praca w niskiej temperaturze), fluorek litu i itru domieszkowany cerem z przejściem 5d → 4f (Ce:YLF, długość fali 0.306 ~0.315 mikronów, wzbudzone laserem ekscymerowym, pracującym w temperaturze pokojowej) i centrum koloru halogenku alkalicznego Kryształ lasera (niedomieszkowany lub domieszkowany chlorek potasu, fluorek litu itp., długość fali 0,8 ~ 3,9 mikrona, przeważnie pracujący w niskiej temperaturze).

Stałe źródło wzbudzenia lasera

Lasery stałe wykorzystują światło jako źródło wzbudzenia. Powszechnie stosowane źródła wzbudzenia impulsowego obejmują lampy błyskowe ładowane ksenonowo; źródła ciągłego wzbudzenia obejmują lampy łukowe kryptonowe, lampy jodowo-wolframowe, lampy potasowo-rubidowe itp. W małych laserach o długiej żywotności jako źródła wzbudzenia można zastosować półprzewodnikowe diody elektroluminescencyjne lub światło słoneczne. Niektóre nowe lasery na ciele stałym również wykorzystują wzbudzenie laserowe.

Ponieważ tylko część widma emisji źródła światła jest pochłaniana przez materiał roboczy, plus inne straty, sprawność konwersji energii laserów na ciele stałym nie jest wysoka, zwykle waha się od kilku tysięcznych do kilku procent.

Charakterystyka lasera stałego

Lasery stałe mogą być stosowane jako źródła światła spójnego o dużej energii i dużej mocy. Energia wyjściowa lasera impulsowego rubinowego może osiągnąć poziom kilodżuli. Wielostopniowy system lasera ze szkła neodymowego ze wzmocnieniem Q-switch ma maksymalną moc impulsu 10 watów. Moc wyjściowa lasera ciągłego z granatem itrowo-aluminiowym może sięgać setek watów, a wielostopniowe połączenie szeregowe może sięgać kilowatów.

Lasery na ciele stałym wykorzystują technologię przełączania Q (modulacja światła widzialnego) do uzyskiwania krótkich impulsów w zakresie od nanosekund do setek nanosekund oraz wykorzystują technologię blokowania modów do uzyskiwania ultrakrótkich impulsów w zakresie od pikosekund do setek pikosekund.

Ze względu na niejednorodność optyczną materiału roboczego i inne przyczyny, moc wyjściowa ogólnych laserów na ciele stałym jest wielomodowa. Jeśli zostanie wybrany materiał roboczy o dobrej jednorodności optycznej, starannie zaprojektowana wnęka rezonansowa i zostaną podjęte inne środki techniczne, można otrzymać laser podstawowego trybu poprzecznego (TEM00) o kącie rozbieżności wiązki bliskim granicy dyfrakcji można również uzyskać pojedynczy laser o trybie podłużnym.

Zastosowania i trendy laserów na ciele stałym

Lasery na ciele stałym mają szerokie zastosowanie w dziedzinach wojskowych, przetwórczych, medycznych i badaniach naukowych. Jest powszechnie stosowany w zakresie pomiaru, śledzenia, prowadzenia, wiercenia, cięcia i spawania, wyżarzania materiałów półprzewodnikowych, mikroprzetwarzania urządzeń elektronicznych, wykrywania atmosfery, badań spektroskopowych, chirurgii i chirurgii okulistycznej, diagnostyki plazmowej, holografii impulsowej i fuzji laserowej itp. . . Lasery na ciele stałym są również wykorzystywane jako źródła wzbudzenia przestrajalnych laserów barwnikowych.

Trendem rozwojowym laserów na ciele stałym jest dywersyfikacja materiałów i urządzeń, w tym poszukiwanie nowych długości fal i nowych materiałów roboczych o przestrajalnych długościach fal roboczych, poprawa efektywności konwersji lasera, zwiększenie mocy wyjściowej, poprawa jakości wiązki, kompresja szerokość impulsu, poprawiając niezawodność i wydłużając żywotność.

Informacje kontaktowe:

Jeśli masz jakiś pomysł, nie wahaj się z nami porozmawiać. Bez względu na to, gdzie są nasi klienci i jakie są nasze wymagania, będziemy podążać za naszym celem, aby zapewnić naszym klientom wysoką jakość, niskie ceny i najlepszą obsługę.