Принцип на работа и приложение на твърдотелен лазер

Твърд лазере лазер, който използва твърд лазерен материал като работно вещество. Рубиненият лазер, изобретен от TH Maiman през 1960 г., е твърдотелен лазер и първият лазер в света. Твърдите лазери обикновено се състоят от лазерен работен материал, източник на възбуждане, фокусираща кухина, рефлектор с резонансна кухина и захранване.

Твърдият работен материал, използван в този тип лазер, е направен чрез допиране на метални йони, които могат да предизвикат стимулирано излъчване в кристала. Има три основни типа метални йони, които могат да предизвикат стимулирана емисия в твърди вещества: (1) йони на преходни метали (като Cr3 плюс); (2) повечето лантаноидни метални йони (като Nd3 плюс, Sm2 плюс, Dy2 плюс и др.); (3) актиний Това е метален йон (като U3 плюс). Основните характеристики на тези метални йони, легирани в твърдата матрица, са: относително широка ефективна спектрална лента на абсорбция, относително висока ефективност на флуоресценция, относително дълъг живот на флуоресценция и относително тесни спектрални линии на флуоресценция, така че те са склонни към инверсия на броя на частиците и стимулирано излъчване. Изкуствените кристали, използвани като кристална матрица, включват главно: корунд (NaAlSi2O6), итриев алуминиев гранат (Y3Al5, O12), калциев волфрамат (CaWO4), калциев флуорид (CaF2) и др., както и итриев алуминат (YAlO3), берилиев лантан киселина (La2Be2O5) и т.н. Използваният стъклен субстрат е главно висококачествено силикатно оптично стъкло, като често използваното бариево коронно стъкло и калциево коронно стъкло. В сравнение с кристалните матрици, основните характеристики на стъклените матрици са лесна подготовка и лесна наличност на висококачествени материали в големи размери. Основните изисквания към кристалите и стъклените субстрати са: лесно включване на луминисцентни метални йони за активиране; добри спектрални характеристики, характеристики на оптична пропускливост и висока степен на оптична (индекс на пречупване) еднородност; физични свойства, подходящи за дългосрочна лазерна работа и химични свойства (като термични свойства, свойства против разграждане, химическа стабилност и др.). Кристалните лазери обикновено се представят от рубин (Al2O3: Cr3 плюс) и легиран с неодим итрий-алуминиев гранат (съкратено като YAG: Nd3 плюс). Стъклените лазери обикновено се представят от неодимови стъклени лазери.

Твърд лазерен работен материал

Работният материал на твърдотелен лазер се състои от оптически прозрачен кристал или стъкло като матричен материал, легиран с активиращи йони или други активиращи вещества. Това работно вещество обикновено трябва да има добри физико-химични свойства, тесни спектрални линии на флуоресценция, силни и широки ленти на поглъщане и висока квантова ефективност на флуоресценцията.

Стъклените лазерни работни материали лесно се правят в еднакви материали с голям размер и могат да се използват в лазери с висока енергия или висока пикова мощност. Въпреки това, линията на неговия флуоресцентен спектър е по-широка и термичните му характеристики са лоши, което го прави неподходящ за работа при висока средна мощност. Обичайните неодимови стъкла включват силикатни, фосфатни и флуорофосфатни стъкла. В началото на 80-те години на миналия век беше успешно разработено неодимово стъкло с отрицателен температурен коефициент на индекс на пречупване, което може да се използва в лазери със средна и малка енергия с висока честота на повторение.

Кристалните лазерни работни материали обикновено имат добри термични и механични свойства и тесни флуоресцентни спектрални линии, но технологията за растеж на кристали за получаване на висококачествени материали с голям размер е сложна. От 1960 г. повече от 300 вида оксидни и флуоридни кристали, легирани с различни редкоземни метали или йони на преходни метали, са постигнали лазерни трептения. Често използваните лазерни кристали включват рубин (Cr:Al2O3, дължина на вълната 6943 Angstroms), итриев алуминиев гранат с добавка на неодим (Nd:Y3Al5O12, наричан Nd:YAG, дължина на вълната 1,064 микрона), литиев итриев флуорид (LiYF4, наричан YLF; Nd:YLF, дължина на вълната 1,047 или 1,05 микрона; Ho:Er:Tm:YLF, дължина на вълната 2,06 микрона) и др.

От 1973 г. съществува друг вид самоактивиращ се лазерен кристал. Неговите активирани йони са химически компонент на кристала, така че концентрацията на активирани йони е висока и няма да настъпи потушаване на флуоресценцията. Този кристал има високо лазерно усилване и нисък праг на екстракция. Основните разновидности включват неодимов пентафосфат (NdP5O14), литиев неодимов тетрафосфат (NdLiP4O12) и неодимов алуминиев борат (NdAl3(BO4)3). Те се отглеждат предимно по метода на разтопена сол и имат малки кристални размери, така че могат да се използват в малки твърдотелни лазери.

Разработени са различни регулируеми лазерни кристали с широколентови флуоресцентни характеристики, като хризоберил с краен фононен преход (Cr:BeAl2O4, дължина на вълната 0.701-0.815 микрона, работещ при стайна температура), никел- легиран магнезиев флуорид (Ni: MgF2, дължина на вълната 1,6~1,8 микрона, работещ при ниска температура), легиран с церий литиев итриев флуорид с преход 5d→4f (Ce:YLF, дължина на вълната 0.306 ~0.315 микрона, възбуден от ексимерен лазер, работещ при стайна температура) и цветен център на алкален халогениден лазерен кристал (нелегиран или легиран калиев хлорид, литиев флуорид и др., дължина на вълната 0,8~3,9 микрона, предимно работещ при ниска температура).

Твърд лазерен източник на възбуждане

Твърдите лазери използват светлина като източник на възбуждане. Често използваните източници на импулсно възбуждане включват светкавични лампи с ксенонов заряд; източниците на непрекъснато възбуждане включват криптонови дъгови лампи, йодни волфрамови лампи, калиево-рубидиеви лампи и т.н. В малки лазери с дълъг живот като източници на възбуждане могат да се използват полупроводникови диоди, излъчващи светлина, или слънчева светлина. Някои нови твърдотелни лазери също използват лазерно възбуждане.

Тъй като само част от емисионния спектър на източника на светлина се абсорбира от работния материал, плюс други загуби, ефективността на преобразуване на енергията на твърдотелните лазери не е висока, обикновено между няколко хилядни и няколко процента.

Солидни лазерни характеристики

Твърдите лазери могат да се използват като високоенергийни и мощни кохерентни източници на светлина. Изходната енергия на рубинения импулсен лазер може да достигне ниво на килоджаул. Q-превключваната и многостепенна усилена лазерна система от неодимово стъкло има максимална импулсна мощност от 10 вата. Изходната мощност на непрекъснатия лазер с итриев алуминиев гранат може да достигне стотици вата, а многостепенното серийно свързване може да достигне киловати.

Твърдотелните лазери използват Q-switching технология (модулация на видимата светлина), за да получат къси импулси, вариращи от наносекунди до стотици наносекунди, и използват технология за заключване на режима, за да получат ултра-къси импулси, вариращи от пикосекунди до стотици пикосекунди.

Поради оптична нехомогенност на работния материал и други причини, изходът на общите твърдотелни лазери е многомодов. Ако е избран работен материал с добра оптична еднородност и резонансната кухина е внимателно проектирана и са взети други технически мерки, може да се получи лазер с основен напречен режим (TEM00) с ъгъл на отклонение на лъча, близък до границата на дифракция и може да се получи лазер с един надлъжен режим.

Приложения на твърдотелни лазери и тенденции

Твърдотелните лазери имат широк спектър от приложения във военните, производствените, медицинските и научните изследвания. Обикновено се използва при измерване, проследяване, насочване, пробиване, рязане и заваряване, отгряване на полупроводникови материали, микрообработка на електронни устройства, атмосферно откриване, спектроскопски изследвания, хирургия и очна хирургия, плазмена диагностика, импулсна холография и лазерен синтез и др. .. Твърдотелните лазери също се използват като източници на възбуждане за регулируеми лазери с багрила.

Тенденцията на развитие на твърдотелните лазери е диверсификацията на материалите и устройствата, включително търсенето на нови дължини на вълните и нови работни материали с регулируеми работни дължини на вълните, подобряване на ефективността на преобразуване на лазера, увеличаване на изходната мощност, подобряване на качеството на лъча, компресиране ширината на импулса, подобряване на надеждността и удължен работен живот.

Информация за връзка:

Ако имате някакви идеи, не се колебайте да говорите с нас. Без значение къде са нашите клиенти и какви са нашите изисквания, ние ще следваме нашата цел да предоставим на нашите клиенти високо качество, ниски цени и най-доброто обслужване.