Princip rada i primjena lasera u čvrstom stanju

Čvrsti laserje laser koji kao radnu tvar koristi čvrsti laserski materijal. Rubinski laser koji je izumio TH Maiman 1960. bio je laser u čvrstom stanju i prvi laser na svijetu. Čvrsti laseri općenito se sastoje od radnog materijala lasera, izvora pobude, šupljine za fokusiranje, reflektora s rezonantnom šupljinom i izvora napajanja.

Čvrsti radni materijal koji se koristi u ovoj vrsti lasera napravljen je dopiranjem metalnih iona koji mogu proizvesti stimuliranu emisiju u kristal. Postoje tri glavne vrste metalnih iona koji mogu proizvesti stimuliranu emisiju u krutim tvarima: (1) ioni prijelaznih metala (kao što je Cr3 plus); (2) većina metalnih iona lantanida (kao što su Nd3 plus, Sm2 plus, Dy2 plus, itd.); (3) aktinijum To je metalni ion (kao što je U3 plus). Glavne karakteristike ovih metalnih iona dopiranih u krutu matricu su: relativno širok efektivni apsorpcijski spektralni pojas, relativno visoka učinkovitost fluorescencije, relativno dug životni vijek fluorescencije i relativno uske spektralne linije fluorescencije, tako da su skloni inverziji broja čestica i stimuliranoj emisiji. Umjetni kristali koji se koriste kao kristalna matrica uglavnom uključuju: korund (NaAlSi2O6), itrijev aluminijev granat (Y3Al5, O12), kalcijev volframat (CaWO4), kalcijev fluorid (CaF2), itd., kao i itrijev aluminat (YAlO3), berilijev lantan kiselina (La2Be2O5), itd. Stakleni supstrat koji se koristi uglavnom je visokokvalitetno silikatno optičko staklo, kao što je uobičajeno korišteno staklo s barijevom krunom i kalcijevo kruno staklo. U usporedbi s kristalnim matricama, glavne značajke staklenih matrica su jednostavnost pripreme i laka dostupnost visokokvalitetnih materijala u velikim veličinama. Glavni zahtjevi za kristale i staklene podloge su: jednostavno uključivanje luminiscentnih metalnih iona za aktivaciju; dobre spektralne karakteristike, karakteristike optičke propusnosti i visok stupanj optičke (indeks loma) uniformnosti; fizička svojstva prikladna za dugotrajni rad lasera i kemijska svojstva (kao što su toplinska svojstva, svojstva protiv degradacije, kemijska stabilnost itd.). Kristalni laseri obično su predstavljeni rubinom (Al2O3: Cr3 plus ) i neodimom dopiranim itrijevo-aluminijskim granatom (skraćeno YAG: Nd3 plus ). Stakleni laseri obično su predstavljeni neodimijskim staklenim laserima.

Čvrsti laserski radni materijal

Radni materijal čvrstog lasera sastoji se od optički prozirnog kristala ili stakla kao matričnog materijala, dopiranog aktivacijskim ionima ili drugim aktivacijskim tvarima. Ova radna tvar općenito treba imati dobra fizikalno-kemijska svojstva, uske spektralne linije fluorescencije, jake i široke apsorpcijske vrpce i visoku kvantnu učinkovitost fluorescencije.

Stakleni laserski radni materijali lako se izrađuju u uniformne materijale velikih dimenzija i mogu se koristiti u laserima visoke energije ili velike vršne snage. Međutim, njegova linija fluorescentnog spektra je šira, a njegova toplinska izvedba je loša, što ga čini neprikladnim za rad pod visokom prosječnom snagom. Uobičajena neodimijska stakla uključuju silikatna, fosfatna i fluorofosfatna stakla. Početkom 1980-ih uspješno je razvijeno neodimijsko staklo s negativnim temperaturnim koeficijentom indeksa loma, koje se može koristiti u laserima srednje i male energije s visokim stopama ponavljanja.

Radni materijali s kristalnim laserom općenito imaju dobra toplinska i mehanička svojstva i uske spektralne linije fluorescencije, ali tehnologija rasta kristala za dobivanje visokokvalitetnih materijala velike veličine je komplicirana. Od 1960-ih više od 300 tipova oksidnih i fluoridnih kristala dopiranih raznim metalima rijetke zemlje ili ionima prijelaznih metala postiglo je lasersku oscilaciju. Uobičajeno korišteni laserski kristali uključuju rubin (Cr:Al2O3, valna duljina 6943 Angstroma), itrij aluminijski granat dopiran neodimijem (Nd:Y3Al5O12, poznat kao Nd:YAG, valna duljina 1,064 mikrona), litij itrij fluorid (LiYF4, poznat kao YLF; Nd:YLF, valna duljina 1,047 ili 1,05 mikrona; Ho:Er:Tm:YLF, valna duljina 2,06 mikrona), itd.

Od 1973. godine postoji još jedan tip samoaktivirajućih laserskih kristala. Njegovi aktivirani ioni su kemijska komponenta kristala, tako da je koncentracija aktiviranih iona visoka i neće doći do gašenja fluorescencije. Ovaj kristal ima visoko lasersko pojačanje i nizak prag ekstrakcije. Glavne varijante uključuju neodimij pentafosfat (NdP5O14), litij neodimij tetrafosfat (NdLiP4O12) i neodimij aluminijev borat (NdAl3(BO4)3). Uglavnom se uzgajaju metodom rastaljene soli i imaju male kristale, pa se mogu koristiti u malim laserima čvrstog stanja.

Razvijen je niz podesivih laserskih kristala sa karakteristikama širokopojasne fluorescencije, kao što je krizoberil s terminalnim fononskim prijelazom (Cr:BeAl2O4, valna duljina 0.701-0.815 mikrona, radi na sobnoj temperaturi), nikl- dopirani magnezijev fluorid (Ni: MgF2, valna duljina 1,6~1,8 mikrona, radi na niskim temperaturama), litij itrijev fluorid dopiran cerijem s prijelazom 5d→4f (Ce:YLF, valna duljina 0.306 ~0.315 mikrona, pobuđen excimer laserom, koji radi na sobnoj temperaturi) i centar boje kristala alkalijskog halogenog lasera (nedopirani ili dopirani kalijev klorid, litijev fluorid itd., valna duljina 0,8~3,9 mikrona, uglavnom radi na niskoj temperaturi).

Izvor pobude čvrstog lasera

Čvrsti laseri koriste svjetlost kao izvor pobude. Često korišteni izvori impulsne pobude uključuju bljeskalice s ksenonskim nabojem; kontinuirani izvori pobude uključuju kriptonske lučne svjetiljke, jodne volframove svjetiljke, kalijeve rubidijske svjetiljke, itd. U malim dugotrajnim laserima, poluvodičke svjetleće diode ili sunčeva svjetlost mogu se koristiti kao izvori pobude. Neki novi solid-state laseri također koriste lasersku ekscitaciju.

Budući da samo dio spektra emisije izvora svjetlosti apsorbira radni materijal, plus ostali gubici, učinkovitost pretvorbe energije solid-state lasera nije visoka, općenito između nekoliko tisućinki i nekoliko postotaka.

Čvrste karakteristike lasera

Čvrsti laseri mogu se koristiti kao koherentni izvori svjetlosti visoke energije i velike snage. Izlazna energija rubin pulsnog lasera može doseći razinu kilodžula. Laserski sustav od neodimijskog stakla s Q-sklopkom i višestupanjskim pojačanjem ima maksimalnu snagu impulsa od 10 vata. Izlazna snaga kontinuiranog lasera s itrijevim aluminijskim granatom može doseći stotine vata, a višestupanjska serijska veza može doseći kilovate.

Solid-state laseri koriste Q-switching tehnologiju (modulacija vidljive svjetlosti) za dobivanje kratkih impulsa u rasponu od nanosekundi do stotina nanosekundi i koriste tehnologiju zaključavanja načina rada za dobivanje ultra-kratkih impulsa u rasponu od pikosekundi do stotina pikosekundi.

Zbog optičke nehomogenosti radnog materijala i drugih razloga, izlaz općih solid-state lasera je višemodan. Ako se odabere radni materijal s dobrom optičkom ujednačenošću, a rezonantna šupljina je pažljivo projektirana i poduzmu se druge tehničke mjere, može se dobiti laser s osnovnim poprečnim modom (TEM00) s kutom divergencije snopa blizu granice difrakcije , a također se može dobiti laser s jednim uzdužnim modom.

Primjene lasera u čvrstom stanju i trendovi

Solid-state laseri imaju širok raspon namjena u vojnim, procesnim, medicinskim i znanstveno-istraživačkim područjima. Obično se koristi u rangiranju, praćenju, vođenju, bušenju, rezanju i zavarivanju, žarenju poluvodičkih materijala, mikroprocesiranju elektroničkih uređaja, atmosferskoj detekciji, spektroskopskom istraživanju, kirurgiji i oftalmološkoj kirurgiji, dijagnostici plazme, pulsnoj holografiji i laserskoj fuziji itd. . Solid-state laseri se također koriste kao izvori pobude za podesive lasere s bojom.

Trend razvoja poluprovodničkih lasera je diverzifikacija materijala i uređaja, uključujući potragu za novim valnim duljinama i novim radnim materijalima s podesivim radnim valnim duljinama, poboljšanjem učinkovitosti pretvorbe lasera, povećanjem izlazne snage, poboljšanjem kvalitete snopa, kompresijom širina pulsa, poboljšavanje pouzdanosti i produženi radni vijek.

Kontakt podaci:

Ako imate bilo kakvih ideja, slobodno nam se obratite. Bez obzira gdje su naši kupci i kakvi su naši zahtjevi, slijedit ćemo naš cilj da svojim kupcima pružimo visoku kvalitetu, niske cijene i najbolju uslugu.