Princip rada i primjena solid-state lasera

Solid Laserje laser koji koristi čvrsti laserski materijal kao radnu supstancu. Rubinski laser koji je izumio TH Maiman 1960. bio je laser u čvrstom stanju i prvi laser na svijetu. Čvrsti laseri se uglavnom sastoje od laserskog radnog materijala, izvora pobude, fokusne šupljine, reflektora rezonantne šupljine i napajanja.

Čvrsti radni materijal koji se koristi u ovoj vrsti lasera je napravljen dopiranjem metalnih jona koji mogu proizvesti stimulisanu emisiju u kristal. Postoje tri glavna tipa metalnih jona koji mogu proizvesti stimulisanu emisiju u čvrstim materijama: (1) joni prelaznih metala (kao što je Cr3 plus); (2) većina lantanidnih metalnih jona (kao što su Nd3 plus, Sm2 plus, Dy2 plus, itd.); (3) aktinijum To je jon metala (kao što je U3 plus). Glavne karakteristike ovih metalnih jona dopiranih u čvrstu matricu su: relativno širok spektar efektivne apsorpcije, relativno visoka efikasnost 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), itrijum aluminij granat (Y3Al5, O12), kalcijum volframat (CaWO4), kalcijum fluorid (CaF2) itd., kao i itrijum aluminat (YAllO3) kiselina (La2Be2O5) itd. Staklena podloga koja se koristi je uglavnom visokokvalitetno silikatno optičko staklo, kao što su najčešće korišteno barijumsko krunsko staklo i kalcijumsko krunsko staklo. U poređenju sa kristalnim matricama, glavne karakteristike staklenih matrica su jednostavnost pripreme i laka dostupnost visokokvalitetnih materijala u velikim veličinama. Glavni zahtjevi za kristale i staklene podloge su: lako ugrađivanje luminiscentnih metalnih jona za aktivaciju; dobre spektralne karakteristike, karakteristike optičke propusnosti i visok stepen optičke uniformnosti (indeks prelamanja); fizička svojstva pogodna za dugotrajan rad lasera i hemijska svojstva (kao što su termička svojstva, svojstva protiv degradacije, hemijska stabilnost, itd.). Kristalni laseri su tipično predstavljeni rubinom (Al2O3: Cr3 plus) i itrijum-aluminijskim granatom dopiranim neodimijumom (skraćeno kao YAG: Nd3 plus). Stakleni laseri su obično predstavljeni laserima od neodimijumskog stakla.

Čvrsti laserski radni materijal

Radni materijal čvrstog lasera se sastoji od optički prozirnog kristala ili stakla kao matričnog materijala, dopiranog aktivirajućim ionima ili drugim aktivacijskim supstancama. Ova radna supstanca bi općenito trebala imati dobra fizičko-hemijska svojstva, uske spektralne linije fluorescencije, jake i široke apsorpcione trake i visoku kvantnu efikasnost fluorescencije.

Radni materijali staklenih lasera lako se prave u uniformne materijale velikih dimenzija i mogu se koristiti u visokoenergetskim laserima ili laserima velike vršne snage. Međutim, njegova linija spektra fluorescencije je šira i njegove termalne performanse su loše, što ga čini neprikladnim za rad pri visokoj prosječnoj snazi. Uobičajena neodimijumska stakla uključuju silikatna, fosfatna i fluorofosfatna stakla. Početkom 1980-ih uspješno je razvijeno neodimijsko staklo s negativnim temperaturnim koeficijentom indeksa prelamanja, koje se može koristiti u laserima srednje i male energije s visokim stopama ponavljanja.

Radni materijali kristalnog lasera općenito imaju dobra toplinska i mehanička svojstva i uske spektralne linije fluorescencije, ali tehnologija rasta kristala za dobivanje visokokvalitetnih materijala velikih dimenzija je komplikovana. Od 1960-ih, više od 300 vrsta kristala oksida i fluorida dopiranih raznim rijetkim zemnim metalima ili ionima prijelaznih metala postiglo je lasersku oscilaciju. Obično korišćeni laserski kristali uključuju rubin (Cr:Al2O3, talasna dužina 6943 Angstroma), neodimijumom dopiran itrijum-aluminijumski granat (Nd:Y3Al5O12, koji se naziva Nd:YAG, talasna dužina 1,064 mikrona), litijum itrijum fluorid (odnosi se na LiYYF4Lcrveni; Nd:YLF, talasna dužina 1,047 ili 1,05 mikrona; Ho:Er:Tm:YLF, talasna dužina 2,06 mikrona), itd.

Od 1973. godine postoji još jedna vrsta samoaktivirajućih laserskih kristala. Njegovi aktivirani ioni su hemijska komponenta kristala, tako da je koncentracija aktiviranih jona visoka i neće doći do gašenja fluorescencije. Ovaj kristal ima visoko lasersko pojačanje i nizak prag ekstrakcije. Glavne varijante uključuju neodimijum pentafosfat (NdP5O14), litijum neodimijum tetrafosfat (NdLiP4O12) i neodimijum aluminijum borat (NdAl3(BO4)3). Uglavnom se uzgajaju metodom rastaljene soli i imaju male veličine kristala, pa se mogu koristiti u malim čvrstim laserima.

Razvijeni su različiti podesivi laserski kristali sa karakteristikama širokopojasne fluorescencije, kao što je krizoberil sa terminalnim fononskim prijelazom (Cr:BeAl2O4, talasna dužina 0.701-0.815 mikrona, koji radi na sobnoj temperaturi), nikl- dopirani magnezijum fluorid (Ni: MgF2, talasna dužina 1,6~1,8 mikrona, radi na niskoj temperaturi), litijum-itijum fluorid dopiran cerijumom sa 5d→4f prelazom (Ce:YLF, talasna dužina 0.306 ~0.315 mikrona, pobuđen ekscimer laserom, radi na sobnoj temperaturi) i centar boje alkalnog halida Laserski kristal (nedopirani ili dopirani kalijum hlorid, litijum fluorid, itd., talasna dužina 0,8~3,9 mikrona, uglavnom radi). na niskoj temperaturi).

Čvrsti izvor laserske ekscitacije

Čvrsti laseri koriste svjetlost kao izvor pobude. Uobičajeni izvori impulsne pobude uključuju bliceve napunjene ksenonom; izvori kontinuirane pobude uključuju kriptonske lučne lampe, jodne volframove lampe, kalijum rubidijumske lampe, itd. U malim dugovječnim laserima, poluprovodničke diode koje emituju svjetlost ili sunčeva svjetlost mogu se koristiti kao izvori pobude. Neki novi solid-state laseri također koriste lasersku ekscitaciju.

Pošto samo dio emisionog spektra izvora svjetlosti apsorbuje radni materijal, plus ostali gubici, efikasnost konverzije energije lasera u čvrstom stanju nije visoka, uglavnom između nekoliko hiljaditih i nekoliko procenata.

Čvrste karakteristike lasera

Čvrsti laseri se mogu koristiti kao koherentni izvori svjetlosti visoke energije i velike snage. Izlazna energija rubin pulsnog lasera može doseći nivo kilodžula. Q-switched i višestepeni pojačani laserski sistem od neodimijum stakla ima maksimalnu snagu impulsa od 10 vati. Izlazna snaga kontinualnog lasera sa itrijum-aluminijum granatom može doseći stotine vati, a višestepena serijska veza može doseći kilovate.

Solid-state laseri koriste tehnologiju Q-switchinga (modulacija vidljivog svjetla) za dobivanje kratkih impulsa u rasponu od nanosekundi do stotina nanosekundi i koriste tehnologiju zaključavanja moda za dobivanje ultra kratkih impulsa u rasponu od pikosekundi do stotina pikosekundi.

Zbog optičke nehomogenosti radnog materijala i drugih razloga, izlaz generalnih lasera u čvrstom stanju je višemodovan. Ako se odabere radni materijal sa dobrom optičkom ujednačenošću i rezonantna šupljina pažljivo dizajnira i poduzmu druge tehničke mjere, može se dobiti osnovni transverzalni mod (TEM00) s uglom divergencije zraka blizu granice difrakcije. , a može se dobiti i jedan laser uzdužnog moda.

Primene i trendovi poluprovodničkih lasera

Solid-state laseri imaju široku primenu u vojnim, procesnim, medicinskim i naučnim istraživačkim poljima. Obično se koristi u rangiranju, praćenju, navođenju, bušenju, rezanju i zavarivanju, žarenju poluvodičkih materijala, mikro-obradi elektronskih uređaja, detekciji atmosfere, spektroskopskim istraživanjima, hirurgiji i oftalmološkoj hirurgiji, dijagnostici plazme, pulsnoj holografiji i laserskoj fuziji, itd. . Solid-state laseri se takođe koriste kao izvori pobude za podesive lasere na boji.

Trend razvoja solid-state lasera je diverzifikacija materijala i uređaja, uključujući potragu za novim talasnim dužinama i novim radnim materijalima sa podesivim radnim talasnim dužinama, poboljšanje efikasnosti konverzije lasera, povećanje izlazne snage, poboljšanje kvaliteta zraka, kompresiju širinu impulsa, poboljšavajući pouzdanost i produženi radni vijek.

Kontakt informacije:

Ako imate bilo kakvu ideju, slobodno nam se obratite. Bez obzira gdje se nalaze naši kupci i koji su naši zahtjevi, mi ćemo slijediti naš cilj da našim kupcima pružimo visok kvalitet, niske cijene i najbolju uslugu.