Лазерная технология вошла в жизнь людей со всех сторон, но существует множество типов лазерных генераторов, каждый из которых имеет разные длины волн и разные характеристики, поэтому области применения также различны. Я считаю, что большинство людей испытывают некоторую головную боль, столкнувшись со сложными типами лазерных генераторов. Поэтому в этой статье суммируются и объясняются особенности и практическое применение различных типов лазерных генераторов по одному.
В зависимости от рабочей среды лазерные генераторы делятся на 6 типов: твердотельные, газовые, на красителях, диодные, волоконные и генераторы лазеров на свободных электронах. Среди них есть много подразделов твердотельных и газовых лазеров. За исключением лазеров на свободных электронах, основные принципы работы различных лазеров одинаковы, включая источник накачки, оптический резонатор и усиливающую среду.
Твердотельный лазерный генератор
В твердотельных лазерных генераторах свет обычно используется в качестве источника накачки, а кристалл или стекло, которые могут генерировать свет, называются рабочим материалом. Материал состоит из матрицы и активированного иона. Материал матрицы обеспечивает подходящие условия существования и работы для активированного иона, а активированный ион завершает процесс генерации лазера. Обычно используемые активные ионы в основном представляют собой ионы переходных металлов, такие как ионы хрома, кобальта, никеля и других, а также ионы редкоземельных металлов, такие как ионы неодима. Зеркала, покрытые диэлектрическими пленками, используются в качестве зеркал резонатора, одно из которых является полным зеркалом, а другое — полузеркалом. При использовании различных активированных ионов, различных материалов матрицы и различных длин волн светового возбуждения будут испускаться различные лазеры с различными длинами волн.
Длина волны лазера, вырабатываемого рубиновым лазерным генератором, составляет 694.3 нм, а коэффициент фотоэлектрического преобразования низок, всего 0.1%. Однако его флуоресцентный срок службы длительный, что способствует накоплению энергии, и он может выдавать высокую пиковую мощность импульса. Лазер, генерируемый рубиновым стержнем толщиной с сердечник ручки и длинным пальцем, может легко проникать в железный лист. До появления более эффективных лазерных систем YAG, рубиновые лазерные системы широко использовались в лазерная резка и сверление. Кроме того, свет 694 нм легко поглощается меланином, поэтому рубиновые лазеры также используются при лечении пигментных поражений (пятен на коже).
Благодаря своим кристаллическим свойствам, лазерный генератор Ti:Sapphire имеет широкий диапазон настройки (то есть диапазон настраиваемых длин волн) и может выводить свет с длиной волны 660 нм-1200 нм по мере необходимости. В сочетании со зрелостью технологии удвоения частоты (которая может удвоить частоту света, то есть уменьшить длину волны вдвое), диапазон длин волн может быть расширен до 330 нм-600 нм. Лазерные системы из титана и сапфира используются в фемто-2-й спектроскопии, исследованиях нелинейной оптики, генерации белого света, генерации терагерцовых волн и т. д., а также имеют применение в медицинской косметологии.
YAG — это аббревиатура иттрий-алюминиевого граната, который является самой превосходной лазерной кристаллической матрицей в настоящее время. После легирования неодимом (Nd) он может выводить 1064nm свет, а максимальная непрерывная выходная мощность может достигать 1000 Вт. В первые дни в качестве источника накачки использовалась импульсная лампа на инертном газе, но метод импульсной лампы накачки имеет широкий спектральный диапазон, плохое совпадение со спектром поглощения среды усиления и большую тепловую нагрузку, что приводит к низкой скорости фотоэлектрического преобразования. Поэтому теперь, используя накачку LD (лазерный диод), можно достичь высокой эффективности, высокой мощности и длительного срока службы. Генераторы лазера Nd:YAG могут использоваться при лечении гемангиом и подавлять рост опухоли. Однако тепловое повреждение ткани неселективно. При коагуляции кровеносных сосудов опухоли избыточная энергия также повреждает окружающую нормальную ткань, и после операции легко остаются рубцы. Поэтому лазер Nd:YAG в основном используется в хирургии, гинекологии, ЛОР и реже в дерматологии.
Yb: YAG, иттербий (Yb) легирован в YAG, который может выводить свет 1030 нм. Длина волны накачки Yb:YAG составляет 941 нм, что очень близко к выходной длине волны, что позволяет достичь квантовой эффективности накачки 91.4%, а тепло, выделяемое накачкой, подавляется с точностью до 10% (большая часть входной энергии преобразуется в выходную энергию, небольшая часть которой становится теплом, что означает, что эффективность преобразования очень высока), что составляет 25% 30% Nd:YAG. Yb:YAG стал одним из самых привлекательных твердотельных лазерных сред, а мощные твердотельные лазерные генераторы Yb:YAG с накачкой LD стали новой горячей точкой исследований и рассматриваются как одно из основных направлений разработки высокоэффективных и мощных твердотельных лазерных генераторов.
В дополнение к двум вышеупомянутым, YAG также может быть легирован гольмием (Ho), эрбием (Er) и т. д. Ho:YAG производит безопасные для глаз лазеры 2097 нм и 2091 нм, в основном для оптической связи, радаров и медицинских приложений. Er:YAG выводит свет с длиной волны 2.9 мкм, и человеческое тело имеет высокую скорость поглощения этой длины волны, что имеет большой потенциал применения в лазерной хирургии и сосудистой хирургии.
Газовый лазерный генератор
Газовые лазерные генераторы — это лазерные системы, которые используют газ в качестве среды усиления, обычно накачивая газовые разряды. Типы газов включают атомарные газы (гелий-неон, ионы благородных газов и пары металлов), молекулярные газы (азот и углекислый газ), эксимерные газы и поставляются химическими реакциями.
Генератор гелий-неонового лазера (HeNe) использует смесь 75% или более He и 15% или менее Ne в качестве усиливающей среды. В зависимости от рабочей среды он может излучать зеленый (543.5 нм), желтый (594.1 нм), оранжевый (612.0 нм), красный (632.8 нм) и 3 типа ближнего инфракрасного света (1152 нм, 1523 нм и 3391 нм), из которых красный свет (632.8 нм) является наиболее часто используемым. Выходной луч генератора гелий-неонового лазера имеет гауссово распределение, а качество луча очень стабильно. Хотя мощность невелика, он имеет хорошие характеристики в области точных измерений.
Обычные генераторы лазеров на благородных газах — это ионы аргона (Ar+) и ионы криптона (Kr+). Коэффициент преобразования энергии может достигать 0.6%, и он может непрерывно и стабильно выдавать мощность 30-50 Вт в течение длительного времени, а его срок службы превышает 1000 ч. В основном используется в лазерных дисплеях, рамановской спектроскопии, голографии, нелинейной оптике и других областях исследований, а также в медицинской диагностике, цветоделении печати, метрологической обработке материалов и обработке информации.
Генераторы лазеров на парах металлов берут в качестве примера пары меди. Генератор лазеров на парах меди в основном выдает зеленый свет (510.5 нм) и желтый свет (578.2 нм), который может достигать средней мощности 100 Вт и пиковой мощности 100 кВт. Его основная область применения - источник накачки генераторов лазеров на красителях. Кроме того, его можно использовать для высокоскоростной вспышки, проекционного телевидения с большим экраном и обработки материалов.
Генератор молекулярного лазера на азоте использует азот в качестве среды усиления, которая может излучать ультрафиолетовый свет 337.1 нм, 357.7 нм и 315.9 нм, а пиковая мощность может достигать 45 кВт. Его можно использовать в качестве источника света накачки для генераторов лазеров на органических красителях, а также широко использовать в лазерном разделении изотопов, флуоресцентной диагностике, сверхскоростной фотографии, обнаружении загрязнений, медицине и здравоохранении, а также в сельскохозяйственной селекции. Поскольку его короткую длину волны легче сфокусировать для получения небольшого пятна, его также можно использовать для обработки субмикронных компонентов.
Среда усиления, используемая в CO2 Лазерный генератор представляет собой смесь углекислого газа с гелием и азотом, которая может выводить дальний инфракрасный свет с центром на длинах волн 9.6 мкм и 10.6 мкм. Генератор имеет высокую скорость преобразования энергии, выходная мощность может варьироваться от нескольких ватт до десятков тысяч ватт, а чрезвычайно высокое качество луча делает CO2 Лазерный генератор широко используется в обработке материалов, научных исследованиях, национальной обороне и медицине. Вы встретите различные CO2 лазерные резаки и лазерные граверы для гравировки и резки дерева, МДФ, фанеры, ткани, кожи, стекла, пластика и акрила в повседневной жизни и бизнесе.
Эксимеры — это нестабильные молекулы, которые заполняются смесями различных благородных газов и галогенных газов в резонаторе для генерации лазеров с различными длинами волн. Возбуждение обычно достигается релятивистскими электронными пучками (энергия более 200 кэВ) или поперечными быстрыми импульсными разрядами. Когда нестабильные молекулярные связи возбужденного состояния эксимера разрываются и диссоциируют на атомы в основном состоянии, энергия возбужденного состояния высвобождается в виде лазерного излучения. Он широко используется в медицине, оптической связи, полупроводниковых дисплеях, дистанционном зондировании, лазерном оружии и других областях.
Химический лазерный генератор — это особый тип газовой лазерной системы, которая использует энергию, высвобождаемую в ходе химической реакции, для реализации инверсии числа частиц. Большинство из них работают в режиме молекулярного перехода, а типичный диапазон длин волн находится в ближнем инфракрасном и среднем инфракрасном спектральном диапазоне. Наиболее важными из них являются устройства на фтористом водороде (HF) и фтористом дейтерии (DF). Первый может выводить более 15 спектральных линий между 2.6 и 3.3 микронами; последний имеет около 25 спектральных линий между 3.5 и 4.2 микронами. Оба устройства в настоящее время способны выдавать многомегаваттные выходные мощности. Благодаря своей огромной энергии он обычно используется в ядерной технике и военных областях.
Генератор лазера на красителе
Лазерные генераторы на красителях используют органический краситель в качестве лазерной среды, обычно жидкий раствор. Генераторы лазеров на красителях обычно можно использовать в более широком диапазоне длин волн, чем газообразные и твердотельные лазеры. Их широкая полоса пропускания делает их особенно подходящими для перестраиваемых и импульсных лазерных генераторов. Однако из-за короткого среднего срока службы и ограниченной выходной мощности его в основном заменяют твердотельные лазеры с перестройкой длины волны, такие как титан-сапфировый.
Диодный лазерный генератор
Диодный лазерный генератор — это лазерная система, использующая в качестве рабочего вещества полупроводниковые материалы. Существует 3 режима возбуждения: электрическая инжекция, возбуждение электронным пучком и оптическая накачка. Малый размер, низкая цена, высокая эффективность, длительный срок службы, низкое энергопотребление, может использоваться в электронной информации, лазерной печати, лазерных указках, оптической связи, лазерном телевидении, малом лазерном проекторе, электронной информации, интегральной оптике и других областях.
Волоконный лазерный генератор
Генератор волоконного лазера относится к типу лазерной системы, которая использует в качестве среды усиления легированное редкоземельными элементами стекловолокно. Он широко используется в металлической и неметаллической печати, маркировке, гравировке, сверлении, резке, очистке, сварке (пайка, закалка водой, наплавка и глубокая сварка), в военной сфере, обороне и безопасности, в медицинском оборудовании, в крупной инфраструктуре и в качестве насоса для других лазерных источников. Вы встретите волоконно-лазерные граверы для персонализированных текстов и узоров, резаки с волоконным лазером для изготовления металла, машины для очистки волоконным лазером для удаления ржавчины, снятия краски и удаления покрытия, волоконно-лазерные сварочные аппараты для металлических соединений в вашей жизни.
Генератор лазера на свободных электронах
Генератор лазера на свободных электронах — это новый тип источника когерентного излучения высокой мощности, отличающийся от традиционного лазерного генератора. Он не нуждается в газе, жидкости или твердом теле в качестве рабочего материала, а напрямую преобразует кинетическую энергию пучка электронов высокой энергии в энергию когерентного излучения. Поэтому можно также считать, что рабочим веществом генератора лазера на свободных электронах являются свободные электроны. Он обладает рядом превосходных характеристик, таких как высокая мощность, высокая эффективность, широкий диапазон перестройки длины волны и временная структура сверхкоротких импульсов. Кроме него, нет ни одного лазерного генератора, который мог бы обладать этими характеристиками одновременно. Он имеет значительные перспективы в областях физических исследований, лазерного оружия, лазерного синтеза, фотохимии и оптической связи.
