Technologia laserowa wkroczyła do życia ludzi ze wszystkich stron, ale istnieje wiele typów generatorów laserowych, każdy o innej długości fali i innej charakterystyce, więc obszary zastosowań również są różne. Wierzę, że większość ludzi odczuwa pewien ból głowy w obliczu skomplikowanych typów generatorów laserowych. Dlatego ten artykuł podsumowuje i wyjaśnia cechy i praktyczne zastosowania różnych typów generatorów laserowych, jeden po drugim.
Ze względu na różne media robocze, generatory laserowe dzielą się na 6 typów: stałe, gazowe, barwnikowe, diodowe, światłowodowe i generatory laserowe na swobodnych elektronach. Wśród nich istnieje wiele podziałów laserów stałych i gazowych. Z wyjątkiem laserów na swobodnych elektronach, podstawowe zasady działania różnych laserów są takie same, w tym źródło pompujące, rezonator optyczny i ośrodek wzmocnienia.
Generator laserowy stanu stałego
W generatorach laserowych ciała stałego światło jest zazwyczaj używane jako źródło pompowania, a kryształ lub szkło, które może generować światło, nazywa się materiałem roboczym. Materiał składa się z matrycy i aktywowanego jonu. Materiał matrycy zapewnia odpowiednie istnienie i środowisko pracy dla aktywowanego jonu, a aktywowany jon kończy proces generowania lasera. Powszechnie stosowane jony aktywne to głównie jony metali przejściowych, takich jak jony chromu, kobaltu, niklu i innych oraz jony metali ziem rzadkich, takich jak jony neodymu. Lustra pokryte filmami dielektrycznymi są używane jako lustra rezonatorowe, z których jedno jest pełnym lustrem, a drugie półlustrem. Podczas stosowania różnych aktywowanych jonów, różnych materiałów matrycy i różnych długości fal wzbudzenia światłem, emitowane będą różne lasery o różnych długościach fal.
Długość fali lasera wyjściowa generatora lasera rubinowego wynosi 694.3 nm, a współczynnik konwersji fotoelektrycznej jest niski i wynosi zaledwie 0.1%. Jednak jego żywotność fluorescencyjna jest długa, co sprzyja magazynowaniu energii, a także może generować wysoką moc szczytową impulsu. Laser generowany przez pręt rubinowy o grubości rdzenia długopisu i długim palcu może łatwo przebić blachę żelazną. Przed pojawieniem się bardziej wydajnych systemów laserowych YAG, systemy laserów rubinowych były szeroko stosowane w cięcie laserowe i wiercenia. Ponadto światło o długości fali 694 nm jest łatwo absorbowane przez melaninę, dlatego lasery rubinowe są również stosowane w leczeniu zmian pigmentacyjnych (plam skórnych).
Ze względu na swoje właściwości kryształu, generator laserowy Ti:Sapphire ma szeroki zakres strojenia (tj. zakres strojenia długości fali) i może emitować światło o długości fali 660 nm-1200 nm w razie potrzeby. W połączeniu z dojrzałością technologii podwajania częstotliwości (która może podwoić częstotliwość światła, tj. zmniejszyć długość fali o połowę), zakres długości fali można rozszerzyć do 330 nm-600 nm. Systemy laserów szafirowych tytanowych są stosowane w spektroskopii femto2, badaniach optyki nieliniowej, generowaniu światła białego, generowaniu fal terahercowych itp., a także mają zastosowanie w kosmetyce medycznej.
YAG to skrót od granatu itru i glinu, który jest obecnie najdoskonalszą matrycą kryształu laserowego. Po domieszkowaniu neodymem (Nd) może on wytwarzać 1064nm światło, a maksymalna ciągła moc wyjściowa może osiągnąć 1000 W. Na początku jako źródło pompowania stosowano lampę błyskową z gazem obojętnym, ale metoda pompowania lampą błyskową ma szeroki zakres widmowy, słabą koincydencję z widmem absorpcyjnym ośrodka wzmocnienia i duże obciążenie cieplne, co skutkuje niską szybkością konwersji fotoelektrycznej. Tak więc teraz, stosując pompowanie LD (dioda laserowa), można osiągnąć wysoką wydajność, dużą moc i długą żywotność. Generatory laserowe Nd:YAG mogą być stosowane w leczeniu naczyniaków i hamują wzrost guza. Jednak termiczne uszkodzenie tkanki jest nieselektywne. Podczas koagulacji naczyń krwionośnych guza, nadmiar energii uszkodzi również otaczającą normalną tkankę i łatwo jest pozostawić blizny po operacji. Dlatego laser Nd:YAG jest najczęściej stosowany w chirurgii, ginekologii, laryngologii i rzadziej w dermatologii.
Yb: YAG, Ytterb (Yb) jest domieszkowany do YAG, który może emitować światło o długości 1030 nm. Długość fali pompy Yb:YAG wynosi 941 nm, co jest bardzo zbliżone do długości fali wyjściowej, co pozwala osiągnąć wydajność kwantową pompy na poziomie 91.4%, a ciepło generowane przez pompę jest tłumione do wartości 10% (większość energii wejściowej jest zamieniana na energię wyjściową, z czego niewielka część staje się ciepłem, co oznacza, że sprawność konwersji jest bardzo wysoka), która wynosi 25% 30% z Nd:YAG. Yb:YAG stał się jednym z najbardziej atrakcyjnych nośników lasera ciała stałego, a generatory lasera ciała stałego Yb:YAG o dużej mocy pompowane LD stały się nowym gorącym punktem badań i są uważane za jeden z głównych kierunków rozwoju wysokowydajnych, wysokomocnych generatorów lasera ciała stałego.
Oprócz powyższych dwóch, YAG może być również domieszkowany holmem (Ho), erbem (Er) itp. Ho:YAG produkuje bezpieczne dla oczu lasery 2097 nm i 2091 nm, głównie do komunikacji optycznej, zastosowań radarowych i medycznych. Er:YAG emituje światło o długości 2.9 μm, a ludzkie ciało ma wysoki współczynnik absorpcji tej długości fali, co ma duży potencjał zastosowania w chirurgii laserowej i chirurgii naczyniowej.
Generator lasera gazowego
Generatory laserów gazowych to systemy laserowe, które wykorzystują gaz jako medium wzmacniające, zazwyczaj pompując wyładowania gazowe. Typy gazów obejmują gazy atomowe (hel-neon, jon gazu szlachetnego i pary metali), gazy cząsteczkowe (azot i dwutlenek węgla), gazy excimerowe i są dostarczane przez reakcje chemiczne.
Generator lasera HeNe (HeNe) wykorzystuje mieszankę 75% lub więcej He i 15% lub mniej Ne jako medium wzmacniające. W zależności od środowiska pracy może emitować zielone (543.5 nm), żółte (594.1 nm), pomarańczowe (612.0 nm), czerwone (632.8 nm) i 3 rodzaje światła bliskiej podczerwieni (1152 nm, 1523 nm i 3391 nm), z których czerwone światło (632.8 nm) jest najczęściej używane. Wyjście wiązki przez generator lasera HeNe ma rozkład Gaussa, a jakość wiązki jest bardzo stabilna. Chociaż moc nie jest wysoka, ma dobrą wydajność w dziedzinie precyzyjnych pomiarów.
Powszechnymi generatorami laserów na gazy szlachetne są jony argonu (Ar+) i jony kryptonu (Kr+). Współczynnik konwersji energii może osiągnąć do 0.6%, a moc wyjściowa może być nieprzerwanie i stabilnie 30-50 W przez długi czas, a żywotność przekracza 1000 godzin. Stosowany głównie w wyświetlaczach laserowych, spektroskopii Ramana, holografii, optyce nieliniowej i innych dziedzinach badań, a także w diagnostyce medycznej, separacji kolorów w druku, metrologii przetwarzania materiałów i przetwarzaniu informacji.
Generatory laserowe na parę metalu biorą jako przykład parę miedzi. Generator laserowy na parę miedzi głównie emituje zielone światło (510.5 nm) i żółte światło (578.2 nm), które może osiągnąć średnią moc 100 W i moc szczytową 100 kW. Jego głównym obszarem zastosowania jest źródło pompujące generatorów laserów barwnikowych. Ponadto może być również używany do fotografii z szybką lampą błyskową, projekcji telewizyjnych na dużym ekranie i obróbki materiałów.
Generator lasera molekularnego azotu wykorzystuje azot jako medium wzmacniające, które może emitować światło ultrafioletowe o długości fali 337.1 nm, 357.7 nm i 315.9 nm, a moc szczytowa może osiągnąć 45 kW. Może być używany jako źródło światła pompującego do generatorów laserów barwnikowych organicznych, a także jest szeroko stosowany w laserowej separacji izotopów, diagnostyce fluorescencji, fotografii ultraszybkiej, wykrywaniu zanieczyszczeń, opiece medycznej i zdrowotnej oraz hodowli rolniczej. Ponieważ jego krótka długość fali jest łatwiejsza do skupienia w celu uzyskania małej plamki, może być również używany do przetwarzania komponentów submikronowych.
Medium wzmacniające stosowane w CO2 generator laserowy to dwutlenek węgla zmieszany z helem i azotem, który może emitować światło dalekiej podczerwieni skupione na długościach fal 9.6 μm i 10.6 μm. Generator ma wysoki współczynnik konwersji energii, moc wyjściowa może wynosić od kilku watów do dziesiątek tysięcy watów, a niezwykle wysoka jakość wiązki sprawia, że CO2 generator laserowy szeroko stosowany w obróbce materiałów, badaniach naukowych, obronie narodowej i medycynie. Spotkasz się z różnymi CO2 wycinarki laserowe oraz grawerki laserowe do grawerowania i cięcia drewna, płyt MDF, sklejki, tkanin, skóry, szkła, plastiku i akrylu w życiu codziennym i biznesie.
Ekscymery to niestabilne cząsteczki wypełnione mieszaninami różnych gazów szlachetnych i gazów halogenowych w rezonatorze, aby generować lasery o różnych długościach fal. Wzbudzenie jest zwykle osiągane za pomocą relatywistycznych wiązek elektronów (energia większa niż 200 keV) lub przez poprzeczne szybkie wyładowania impulsowe. Gdy niestabilne wiązania cząsteczkowe wzbudzonego stanu ekscymeru zostaną zerwane i rozłożone na atomy stanu podstawowego, energia wzbudzonego stanu jest uwalniana w postaci promieniowania laserowego. Jest szeroko stosowany w medycynie, komunikacji optycznej, wyświetlaczach półprzewodnikowych, teledetekcji, broni laserowej i innych dziedzinach.
Generator lasera chemicznego to specjalny rodzaj systemu lasera gazowego, który wykorzystuje energię uwalnianą przez reakcję chemiczną do realizacji inwersji liczby cząstek. Większość z nich działa w trybie przejścia molekularnego, a typowy zakres długości fal mieści się w zakresie widma bliskiej podczerwieni do średniej podczerwieni. Najważniejsze z nich to urządzenia z fluorkiem wodoru (HF) i fluorkiem deuteru (DF). Pierwsze z nich może wyprowadzić ponad 15 linii widmowych między 2.6 a 3.3 mikrona; drugie ma około 25 linii widmowych między 3.5 a 4.2 mikrona. Oba urządzenia są obecnie zdolne do wyprowadzeń o mocy wielu megawatów. Ze względu na swoją ogromną energię jest powszechnie stosowany w inżynierii jądrowej i w wojsku.
Generator lasera barwnikowego
Generatory laserów barwnikowych wykorzystują organiczny barwnik jako medium laserowe, zwykle roztwór cieczy. Generatory laserów barwnikowych mogą być generalnie używane w szerszym zakresie długości fal niż gazowe i stałe media laserowe. Ich szerokie pasmo sprawia, że są szczególnie odpowiednie do strojonych i impulsowych generatorów laserowych. Jednak ze względu na krótki czas życia medium i ograniczoną moc wyjściową są one zasadniczo zastępowane przez strojone długością fali lasery półprzewodnikowe, takie jak tytanowo-szafirowe.
Generator lasera diodowego
Generator lasera diodowego to system laserowy, który wykorzystuje materiały półprzewodnikowe jako substancję roboczą. Istnieją 3 tryby wzbudzenia: wtrysk elektryczny, wzbudzenie wiązką elektronów i pompowanie optyczne. Mały rozmiar, niska cena, wysoka wydajność, długa żywotność, niskie zużycie energii, może być stosowany w informacji elektronicznej, drukowaniu laserowym, wskaźnikach laserowych, komunikacji optycznej, telewizji laserowej, małym projektorze laserowym, informacji elektronicznej, zintegrowanej optyce i innych dziedzinach.
Generator lasera światłowodowego
Generator lasera światłowodowego odnosi się do typu systemu laserowego, który wykorzystuje włókno szklane domieszkowane pierwiastkami ziem rzadkich jako medium wzmacniające. Jest szeroko stosowany w drukowaniu metali i niemetali, znakowaniu, grawerowaniu, wierceniu, cięciu, czyszczeniu, spawaniu (lutowaniu, hartowaniu w wodzie, napawaniu i głębokim spawaniu), w wojsku, obronie i bezpieczeństwie, sprzęcie medycznym, dużej infrastrukturze i jako pompa do innych źródeł laserowych. Spotkasz grawerki laserowe światłowodowe do spersonalizowanych tekstów i wzorów, wycinarki laserowe światłowodowe do obróbki metali, maszyny czyszczące laserem światłowodowym do usuwania rdzy, usuwania farby i powłok, spawarki laserowe światłowodowe dla metalowych stawów w Twoim życiu.
Generator lasera na wolne elektrony
Generator lasera na swobodnych elektronach to nowy typ wysokoenergetycznego źródła spójnego promieniowania, różniący się od tradycyjnego generatora laserowego. Nie potrzebuje gazu, cieczy ani ciała stałego jako materiału roboczego, ale bezpośrednio przekształca energię kinetyczną wysokoenergetycznej wiązki elektronów w spójną energię promieniowania. Dlatego też można również uznać, że substancją roboczą generatora lasera na swobodnych elektronach są swobodne elektrony. Posiada szereg doskonałych cech, takich jak wysoka moc, wysoka wydajność, szeroki zakres strojenia długości fali i struktura czasowa ultrakrótkich impulsów. Poza tym nie ma generatora laserowego, który mógłby mieć te cechy jednocześnie. Ma on znaczne perspektywy w dziedzinach badań fizycznych, broni laserowej, fuzji laserowej, fotochemii i komunikacji optycznej.
