Tehnologia laser a intrat în viața oamenilor din toate punctele de vedere, dar există multe tipuri de generatoare laser, fiecare cu lungimi de undă diferite și caracteristici diferite, așa că și domeniile de aplicare sunt diferite. Cred că majoritatea oamenilor simt o mică bătaie de cap în fața tipurilor complicate de generatoare laser. Prin urmare, acest articol rezumă și explică caracteristicile și aplicațiile practice ale diferitelor tipuri de generatoare laser unul câte unul.
În funcție de diferite medii de lucru, generatoarele laser sunt împărțite în 6 tipuri: generatoare de laser cu stare solidă, gaz, colorant, diodă, fibră și electroni liberi. Printre acestea, există multe subdiviziuni de lasere cu stare solidă și cu gaz. Cu excepția laserelor cu electroni liberi, principiile de lucru de bază ale diferitelor lasere sunt aceleași, inclusiv sursa pompei, rezonatorul optic și mediul de câștig.
Generator laser cu stare solidă
În generatoarele cu laser în stare solidă, lumina este în general folosită ca sursă de pompă, iar cristalul sau sticla care poate genera lumină se numește material de lucru. Materialul este compus dintr-o matrice și un ion activat. Materialul matricei oferă o existență și un mediu de lucru adecvat pentru ionul activat, iar ionul activat completează procesul de generare a laserului. Ionii activi utilizați în mod obișnuit sunt în principal ionii de metale tranziționale, cum ar fi crom, cobalt, nichel și alți ioni și ionii de metal cu pământuri rare, cum ar fi ionii de neodim. Oglinzile acoperite cu folii dielectrice sunt folosite ca oglinzi rezonatoare, dintre care una este o oglindă plină, iar cealaltă este o oglindă pe jumătate. Când se folosesc diferiți ioni activați, diferite materiale de matrice și diferite lungimi de undă de excitație a luminii, vor fi emise diverse lasere de diferite lungimi de undă.
Lungimea de undă laser ieșită de generatorul laser rubin este de 694.3 nm, iar rata de conversie fotoelectrică este scăzută, doar 0.1%. Cu toate acestea, durata sa de viață fluorescentă este lungă, ceea ce favorizează stocarea energiei și poate emite o putere de vârf de impuls ridicată. Laserul generat de o tijă de rubin cu o grosime de miez de stilou și un deget lung poate pătrunde cu ușurință în foaia de fier. Înainte de apariția sistemelor laser YAG mai eficiente, sistemele laser rubin erau utilizate pe scară largă în taietura cu laser și foraj. În plus, lumina de 694 nm este absorbită cu ușurință de melanină, astfel încât laserele rubin sunt folosite și în tratamentul leziunilor pigmentate (petelor cutanate).
Datorită proprietăților sale de cristal, generatorul laser Ti:Sapphire are o gamă largă de reglare (adică, intervalul de lungimi de undă reglabile) și poate emite lumină cu o lungime de undă de 660nm-1200nm, după cum este necesar. Împreună cu maturitatea tehnologiei de dublare a frecvenței (care poate dubla frecvența luminii, adică poate înjumătăți lungimea de undă), gama de lungimi de undă poate fi extinsă la 330nm-600nm. Sistemele laser cu safir de titan sunt utilizate în spectroscopie femto2nd, cercetarea optică neliniară, generarea de lumină albă, generarea de unde terahertzi etc. și au, de asemenea, aplicații în frumusețea medicală.
YAG este abrevierea lui ytriu aluminiu granat, care este cea mai excelentă matrice de cristal laser în prezent. După ce a fost dopat cu neodim (Nd), poate ieși 1064nm lumină, iar puterea maximă de ieșire continuă poate ajunge la 1000w. În primele zile, o lampă bliț cu gaz inert a fost folosită ca sursă de pompă, dar metoda pompei cu bliț are o gamă spectrală largă, o coincidență slabă cu spectrul de absorbție al mediului de câștig și o sarcină termică mare, ceea ce duce la o rată de conversie fotoelectrică scăzută. Deci, acum, folosind pomparea LD (diodă laser), se poate obține eficiență ridicată, putere mare și viață lungă. Generatoarele laser Nd:YAG pot fi utilizate în tratamentul hemangioamelor și inhibă creșterea tumorii. Cu toate acestea, deteriorarea termică a țesutului este neselectivă. În timp ce coagulează vasele de sânge ale tumorii, excesul de energie va deteriora și țesutul normal din jur și este ușor să lași cicatrici după operație. Prin urmare, laserul Nd:YAG este folosit mai ales în chirurgie, ginecologie, ORL și mai puțin în dermatologie.
Yb: YAG, yterbiul (Yb) este dopat în YAG, care poate scoate lumină de 1030 nm. Lungimea de undă a pompei Yb:YAG este de 941 nm, care este foarte apropiată de lungimea de undă de ieșire, ceea ce poate atinge o eficiență cuantică a pompei de 91.4%, iar căldura generată de pompă este suprimată în limita 10% (cea mai mare parte a energiei de intrare este convertită în energie de ieșire, din care o mică parte devine căldură, înseamnă că eficiența conversiei este foarte mare), care este de 25% la 30% de Nd:YAG. Yb:YAG a devenit unul dintre cele mai atractive medii cu laser cu stare solidă, iar generatoarele laser cu stare solidă Yb:YAG de mare putere pompate cu LD au devenit un nou punct fierbinte de cercetare și sunt considerate ca una dintre direcția principală de dezvoltare a generatoarelor laser cu stare solidă de mare eficiență și putere.
Pe lângă cele două de mai sus, YAG poate fi dopat și cu holmiu (Ho), erbiu (Er), etc. Ho:YAG produce lasere de 2097nm și 2091nm sigure pentru ochi, în principal pentru comunicații optice, radar și aplicații medicale. Er:YAG emite lumină de 2.9 μm, iar corpul uman are o rată mare de absorbție a acestei lungimi de undă, care are un potențial mare de aplicare pentru chirurgia cu laser și chirurgia vasculară.
Generator cu laser cu gaz
Generatoarele laser cu gaz sunt sisteme laser care folosesc gazul ca mediu de câștig, pompând în general descărcări de gaze. Tipurile de gaze includ gaze atomice (heliu-neon, ion de gaz nobil și vapori de metal), gaze moleculare (azot și dioxid de carbon), gaze excimer și sunt furnizate de reacții chimice.
Generatorul laser HeNe (HeNe) folosește un amestec de 75% sau mai mult He și 15% sau mai puțin Ne ca mediu de câștig. În funcție de mediul de lucru, poate emite verde (543.5nm), galben (594.1nm), portocaliu (612.0nm), roșu (632.8nm) și 3 tipuri de lumină în infraroșu apropiat (1152nm, 1523nm și 3391nm), dintre care lumina roșie (632.8nm) este cea mai frecvent utilizată. Fascicul emis de generatorul laser HeNe are o distribuție gaussiană, iar calitatea fasciculului este foarte stabilă. Desi puterea nu este mare, are o performanta buna in domeniul masurarii de precizie.
Generatoarele obișnuite de laser cu gaz nobil sunt ionii de argon (Ar+) și ionii de cripton (Kr+). Rata sa de conversie a energiei poate ajunge până la 0.6% și poate scoate în mod continuu și stabil o putere de 30-50w pentru o lungă perioadă de timp, iar durata sa de viață depășește 1000h. Folosit în principal în afișaj cu laser, spectroscopie Raman, holografie, optică neliniară și alte domenii de cercetare, precum și diagnosticare medicală, separarea culorilor de imprimare, prelucrarea materialului de metrologie și prelucrarea informațiilor.
Generatoarele laser cu vapori de metal iau vaporii de cupru ca exemplu. Generatorul laser cu vapori de cupru emite în principal lumină verde (510.5 nm) și lumină galbenă (578.2 nm), care pot atinge o putere medie de 100 W și o putere de vârf de 100 kw. Domeniul său principal de aplicare este sursa de pompare a generatoarelor cu laser colorant. În plus, poate fi folosit și pentru fotografierea cu bliț de mare viteză, TV de proiecție cu ecran mare și procesarea materialelor.
Generatorul laser molecular cu azot folosește azot ca mediu de câștig, care poate emite lumină ultravioletă de 337.1 nm, 357.7 nm și 315.9 nm, iar puterea de vârf poate atinge 45kw. Poate fi folosit ca sursă de lumină cu pompă pentru generatoarele de laser cu coloranți organici și este, de asemenea, utilizat pe scară largă în separarea cu laser a izotopilor, diagnosticarea fluorescenței, fotografia cu viteză ultra-înaltă, detectarea poluării, îngrijirea medicală și a sănătății și creșterea agricolă. Deoarece lungimea sa de undă scurtă este mai ușor de focalizat pentru a obține un punct mic, poate fi folosit și pentru a procesa componente sub-micron.
Mediul de câștig utilizat în CO2 generatorul laser este dioxid de carbon amestecat cu heliu și azot, care poate scoate lumină în infraroșu îndepărtat centrată la lungimi de undă de 9.6 μm și 10.6 μm. Generatorul are o rată mare de conversie a energiei, puterea de ieșire poate varia de la câțiva wați la zeci de mii de wați, iar calitatea extrem de ridicată a fasciculului face ca CO2 generator laser utilizat pe scară largă în prelucrarea materialelor, cercetare științifică, apărare națională și medicină. Te vei întâlni diferit CO2 tăietoare cu laser și gravori cu laser pentru gravarea și tăierea lemnului, MDF, placajului, țesăturii, pielii, sticlei, plasticului și acrilicului în viața de zi cu zi și în afaceri.
Excimerii sunt molecule instabile care sunt umplute cu amestecuri de diferite gaze nobile și gaze halogen în rezonator pentru a genera lasere de diferite lungimi de undă. Excitația se realizează de obicei prin fascicule de electroni relativiste (energie mai mare de 200 keV) sau prin descărcări transversale rapide de impulsuri. Când legăturile moleculare instabile ale excimerului stării excitate sunt rupte și disociate în atomi de stare fundamentală, energia stării excitate este eliberată sub formă de radiație laser. Este utilizat pe scară largă în domeniul medical, comunicații optice, afișaj cu semiconductor, teledetecție, arme cu laser și alte domenii.
Generatorul laser chimic este un tip special de sistem laser cu gaz care utilizează energia eliberată de reacția chimică pentru a realiza inversarea numărului de particule. Cele mai multe dintre ele funcționează în modul de tranziție moleculară, iar intervalul tipic de lungimi de undă este în regiunea spectrală din infraroșu apropiat până la infraroșu mediu. Cele mai importante sunt dispozitivele cu fluorură de hidrogen (HF) și fluorură de deuteriu (DF). Primul poate scoate mai mult de 15 linii spectrale între 2.6 și 3.3 microni; acesta din urmă are aproximativ 25 de linii spectrale între 3.5 și 4.2 microni. Ambele dispozitive sunt în prezent capabile de ieșiri de mai mulți megawați. Datorită energiei sale uriașe, este utilizat în general în inginerie nucleară și în domeniile militare.
Generator laser colorant
Generatoarele cu laser colorant folosesc un colorant organic ca mediu laser, de obicei o soluție lichidă. Generatoarele cu laser colorant pot fi utilizate în general pe o gamă mai largă de lungimi de undă decât mediile laser gazoase și în stare solidă. Lățimea lor largă de bandă le face deosebit de potrivite pentru generatoarele laser reglabile și în impulsuri. Cu toate acestea, datorită duratei sale medii de viață scurte și puterii de ieșire limitate, este înlocuit practic de lasere cu stare solidă reglabile cu lungimea de undă, cum ar fi safirul de titan.
Generator laser cu diode
Generatorul laser cu diodă este un sistem laser care utilizează materiale semiconductoare ca substanță de lucru. Există 3 moduri de excitare: injecție electrică, excitare cu fascicul de electroni și pompare optică. Dimensiuni mici, preț scăzut, eficiență ridicată, durată lungă de viață, consum redus de energie, pot fi utilizate în informații electronice, imprimare laser, pointer laser, comunicații optice, TV cu laser, proiector laser mic, informații electronice, optică integrată și alte domenii.
Generator laser cu fibre
Generatorul laser cu fibre se referă la un tip de sistem laser care utilizează fibră de sticlă dopată cu elemente de pământ rare ca mediu de câștig. Este utilizat pe scară largă în tipărirea metalelor și nemetalice, marcarea, gravura, găurirea, tăierea, curățarea, sudarea (brazare, călire cu apă, placare și sudare profundă), militar, apărare și securitate, echipamente medicale, infrastructură mare și ca pompa pentru alte surse laser. Te vei întâlni gravatoare laser cu fibra pentru texte și modele personalizate, tăietoare cu laser cu fibră pentru fabricarea metalelor, mașini de curățat cu laser cu fibre pentru îndepărtarea ruginii, îndepărtarea vopselei și îndepărtarea stratului de acoperire, aparate de sudat cu laser cu fibre pentru îmbinările metalice din viața ta.
Generator laser cu electroni gratuit
Generatorul laser cu electroni liberi este un nou tip de sursă de radiație coerentă de mare putere diferită de generatorul laser tradițional. Nu are nevoie de gaz, lichid sau solid ca material de lucru, dar transformă direct energia cinetică a fasciculului de electroni de înaltă energie în energie de radiație coerentă. Prin urmare, se poate considera și că substanța de lucru a generatorului laser cu electroni liberi sunt electronii liberi. Are o serie de caracteristici excelente, cum ar fi putere mare, eficiență ridicată, gamă largă de reglare a lungimii de undă și structura de timp a impulsurilor ultra-scurte. Cu excepția acestuia, nu există niciun generator laser care să poată avea aceste caracteristici în același timp. Are perspective considerabile în domeniile cercetării fizicii, armelor cu laser, fuziunii cu laser, fotochimiei și comunicațiilor optice.
