Ein umfassender Leitfaden zu Laserprinzipien und -anwendungen

I. Grundlagen des Lasers

Grundlegende Struktur eines Lasers:

1. Arbeitsstoff

Das laseraktive Medium bezieht sich auf das Materialsystem, mit dem die Besetzungsinversion erreicht und die stimulierte Lichtstrahlung verstärkt wird. Manchmal wird es auch als Laserverstärkungsmedium bezeichnet. Dabei kann es sich um feste (Kristalle, Glas), gasförmige (Atomgas, Ionengas, Molekülgas), halbleitende und flüssige Medien handeln.

Die Hauptanforderung an das laseraktive Medium besteht darin, eine möglichst große Besetzungsinversion zwischen bestimmten Energieniveaus seiner Arbeitsteilchen zu erreichen und diese Inversion während des gesamten Laseremissionsprozesses so effektiv wie möglich aufrechtzuerhalten. Zu diesem Zweck sollte das aktive Medium eine geeignete Energieniveaustruktur und Übergangscharakteristik aufweisen.

2. Pumpende Quelle

Das Anregungs-(Pump-)System bezieht sich auf den Mechanismus oder das Gerät, das eine Energiequelle bereitstellt, um die Teilcheninversion im Lasermaterial zu erreichen und aufrechtzuerhalten. Je nach Arbeitsmaterial und Betriebsbedingungen des Lasers können verschiedene Anregungsmethoden und -geräte eingesetzt werden. Es gibt vier gängige Arten:

①. Optische Anregung (optisches Pumpen). Hierbei wird das Arbeitsmaterial mit Licht aus einer externen Lichtquelle bestrahlt, um eine Teilcheninversion zu erreichen. Die gesamte Anregungsvorrichtung besteht in der Regel aus einer Gasentladungslichtquelle (z. B. einer Xenon- oder Kryptonlampe) und einem Kondensator.

②. Gasentladungsanregung. Hierbei wird der Gasentladungsprozess im Gasarbeitsmaterial genutzt, um eine Partikelinversion zu erreichen. Die gesamte Anregungsvorrichtung besteht in der Regel aus Entladungselektroden und einer Entladungsstromquelle.

③. Chemische Anregung. Hierbei wird der chemische Reaktionsprozess im Arbeitsmaterial genutzt, um eine Partikelinversion zu erreichen. Dies erfordert in der Regel geeignete chemische Reaktanten und entsprechende Auslösemaßnahmen.

④. Anregung durch Kernenergie. Hierbei werden Spaltfragmente, hochenergetische Teilchen oder Strahlung, die bei einer Kernspaltungsreaktion im kleinen Maßstab erzeugt werden, verwendet, um das Arbeitsmaterial anzuregen und eine Teilcheninversion zu erreichen.

3. Resonanter Hohlraum - Zur Vergrößerung der Ausbreitungsdistanz von Lichtwellen im Verstärkungsmedium

Ein optischer Resonator wird in der Regel durch die Kombination von zwei Spiegeln mit spezifischen geometrischen Formen und optischen Reflexionseigenschaften in einer bestimmten Weise konstruiert. Seine Funktionen sind:

①. Ermöglicht eine optische Rückkopplung, so dass stimulierte Emissionsphotonen mehrfach im Hohlraum hin- und herwandern können, um kohärente Dauerschwingungen zu erzeugen.

②. Begrenzung der Richtung und Frequenz der oszillierenden Lichtstrahlen im Hohlraum, um sicherzustellen, dass der Ausgangslaser eine bestimmte Richtcharakteristik und Monochromatizität aufweist.

Die erste Funktion des Resonators wird durch die geometrische Form (den Krümmungsradius der reflektierenden Oberfläche) und die relative Kombinationsmethode der beiden Spiegel bestimmt, aus denen der Hohlraum normalerweise besteht. Die zweite Funktion wird durch die unterschiedlichen selektiven Verlusteigenschaften des jeweiligen Resonatortyps für Licht mit unterschiedlichen Ausbreitungsrichtungen und Frequenzen innerhalb des Hohlraums bestimmt.

II. Klassifizierung von Lasern

Mit dem Laser als Arbeitsmedium:

• Festkörperlaser (Faserlaser)
• Gaslaser
• Halbleiterlaser
• Farbstofflaser
• Freie-Elektronen-Laser

Laser-Betriebsarten:

• Kontinuierlich
• Impuls: Einzelimpuls; Wiederholfrequenz; Quasi-kontinuierlich

Nach chemischer Zusammensetzung:

• Atomare Laser
• Molekulare Laser
• Ionenlaser
• Freie-Elektronen-Laser
• Excimer-Laser

Laser-Modulationsverfahren:

• Freies Laufen
• Q-Switching
• Modusverriegelung

III. Typische Laser

1. Festkörperlaser

Sie werden in zwei Kategorien eingeteilt: Kristall und Glas, die durch Dotierung mit aktivierenden Ionen im Grundmaterial hergestellt werden.

Derzeit haben mehr als 200 verschiedene basendotierte Systeme die Laseroszillation als Arbeitsmaterial realisiert, aber die drei Arten, die weit verbreitet sind und eine gute Leistung haben, sind wie folgt:

(1) Neodym-Glaslaser

Das Seltenerdelement Neodym ist in Glas als Arbeitsmaterial dotiert, λ = 1,053 μm. Da Neodym-Glas ein großes Volumen und eine gute Gleichmäßigkeit aufweist, kann es zu großen Geräten verarbeitet werden, wodurch Laser mit hoher Energie und Leistung entstehen. Es wurde ein Laser mit einer Ausgangsleistung von 1014 W hergestellt.

(2) Rubinlaser

• Arbeitsmaterial: Rubinkristall
• Ausgangswellenlänge: λ=694.3nm
• Ausgangsbreite:Δλ=0,01~0,1nm
• Betriebsart: kontinuierlich, gepulst
• Divergenzwinkel: θ ≈ 10^-3rad, im Allgemeinen Multimode-Ausgang; Pumpleistung >Schwellenwert 10~20%→single mode

(3) Neodym-dotiertes Yttrium-Aluminium-Granat (Nd:YAG)

• Arbeitsmaterial: YAG-Kristall, dotiert mit dem Seltenerdelement Neodym
• Ausgangswellenlänge: λ=1064nm, 914nm, 1319nm
• Arbeitsmodus: Kontinuierlicher Impuls mit hoher Wiederholrate

Durch die Möglichkeit, das Arbeitsmaterial mit einer hohen Konzentration von Neodym zu dotieren, kann eine höhere Laserleistung pro Volumeneinheit erzielt und der Laser kleiner gebaut werden. Wenn ein Halbleiterlaser als Pumpquelle verwendet wird, kann das Volumen des Geräts noch kleiner sein.

(4) Kontinuierlich durchstimmbarer Titan-Saphir-Laser

3900S CW abstimmbarer Ti:sapphire Laser

Der leistungsstarke, abstimmbare Festkörper-IR-Laser

Ausgangswellenlängenbereich von 675 bis 1100nm

Gepumpt durch einen Ar-Laser oder LD-Pumpen eines 532nm-Lasers

TEM₀₀ Die Ausgangsleistung kann bis zu 3,5 Wcw erreichen

Anwendungen:

• Spektroskopie
• Faserlaser Forschung
• Forschung im Bereich Telekommunikation
• Studien über Halbleiter

2. Gaslaser

• Arbeitsmaterial: Verschiedene Mischgase, gute optische Gleichmäßigkeit.
• Gaslaser sind im Vergleich zu Festkörper-, Halbleiter- und Flüssigkeitslasern in Bezug auf Monochromatizität und Strahlstabilität überlegen.
• Die Spektrallinien haben Tausende von Typen erreicht (160nm~4mm).
• Arbeitsmodus: Kontinuierlicher Betrieb (in den meisten Fällen)

Die meisten Gaslaser haben die Schwäche, dass sie keine hohe Momentanleistung haben.

Der Grund dafür: Normalerweise ist der Gasdruck niedrig, was zu einer geringeren Anzahl von Partikeln pro Volumeneinheit führt.

(1) Helium-Neon-Laser

Arbeitsmaterial: Gemisch aus Helium- und Neongas

Der Laser wird von Neonatomen emittiert, während Helium die Bedingungen für die Gasentladung verbessert und damit die Ausgangsleistung des Lasers erhöht.

Ausgangswellenlänge: Die üblicherweise verwendete Wellenlänge beträgt 632,8 nm.

Je nach den gewählten Betriebsbedingungen kann der Laser Nahinfrarot-, Rot-, Gelb- und Grünlicht abgeben.

(λ=3,39μm; λ=1,15μm)

(2) CO₂ Laser

Arbeitsmaterial: Eine Mischung aus CO₂, He, N₂und Xe-Gase

Der Laser wird durch CO₂ Moleküle, während die anderen Gase dazu beitragen, die Arbeitsbedingungen des Lasers zu verbessern und die Ausgangsleistung, Stabilität und Lebensdauer des Lasers zu erhöhen.

Ausgangswellenlänge: λ=10.6μm

Der CO2-Laser ist der Laser mit der höchsten Ausgangsleistung Gaslasermit einer Dauerleistung von 50 kW und einer Impulsleistung von 1012 W.

(3) Argon-Ionen-Laser

Argon/Krypton Ionen Laser, Stabilite2017 Argon/Krypton Ionen Laser

Ausgangswellenlänge:

• λ =488nm；
• λ =514,5 nm ；

Höchste Ausgangsleistung im Bereich des sichtbaren Lichts

Die Ausgangsleistung reicht von wenigen Watt bis zu einigen hundert Watt.

3. Helium-Cadmium-Laser

Unter Verwendung von Cadmium-Metalldampf als emittierendem Material hat sie hauptsächlich zwei kontinuierliche Spektrallinien, nämlich ultraviolette Strahlung mit einer Wellenlänge von 325nm und blaues Licht von 441,6nm. Die typische Ausgangsleistung beträgt 1~25mW bzw. 1~100mW. Zu den Hauptanwendungsbereichen gehören der Buchdruck, die Zählung von Blutzellen, die Inspektion integrierter Schaltkreise und laserinduzierte Fluoreszenzexperimente usw.

(1). Kupferdampflaser

Die beiden wichtigsten Spektrallinien, die in der Regel durch Elektronenstöße angeregt werden, sind das grüne Licht mit einer Wellenlänge von 510,5 nm und das gelbe Licht mit 578,2 nm. Bei einer typischen Pulsbreite von 10 bis 50nS kann die Wiederholfrequenz bis zu 100KHz erreichen. Beim derzeitigen Stand der Technik beträgt die Energie eines einzelnen Pulses etwa 1 mJ. Dies bedeutet, dass die durchschnittliche Leistung bis zu 100 W erreichen kann, während die Spitzenleistung bis zu 100 KW betragen kann.

(2). Stickstoff-Moleküllaser

Die Impulsentladungsanregung erzeugt violettes externes Licht mit einer Spitzenleistung von bis zu zehn Megawatt, einer Impulsbreite von weniger als 10nS und einer Wiederholfrequenz von einigen zehn bis tausenden von Hertz. Er wird in erster Linie als Pumpquelle für Farbstofflaser verwendet und kann auch für Spektralanalyse, Detektion, Medizin und Photochemie eingesetzt werden. Übliche Wellenlängen: 337,1nm, 357,7nm

3. Halbleiterlaser

Hergestellt aus Halbleitermaterialien mit verschiedenen Komponenten.

Laser mit der aktiven Fläche und der Bindungsfläche.

Merkmale: Geringste Größe, geringstes Gewicht, lange Lebensdauer, effektive Betriebszeit über 100.000 Stunden.

Ausgangswellenlängenbereich: Ultraviolett, sichtbar, infrarot

Ausgangsleistung: mW, W, kW.

Schematisches Diagramm eines DFB-Halbleiterlasers

Schematisches Diagramm eines DBR-Halbleiterlasers

Vertikaler oberflächenemittierender Hohlraumlaser (VCSEL)

Quantenkaskadenlaser, QCLs

Ein neuartiges unipolares Halbleiterbauelement, das auf dem Prinzip des Elektronenübergangs zwischen Teilbändern in Halbleiter-Quantentöpfen und phononenunterstütztem resonantem Tunneln beruht.

Fasergekoppelt (Pigtail-Paket)

Halbleiter-Lasergeräte

ProLite Typ fasergekoppelter Einzelemissionslaser

IV. Anwendungen von Lasern

1. Industrielle Anwendungen

• Präzisionsmessung (Abstand, Verschiebung)
• Laserbearbeitung (Schneiden, Schweißen, Bohren, Gravieren)
• Spektralanalyse

2. Medizinische Anwendungen

• Ophthalmologie
• Allgemeine Chirurgie
• Zahnmedizin
• Dermatologie

3. Militärische Anwendungen

• Laser-Entfernungsmessung
• Laser-Aufklärung
• Atmosphärische Laserkommunikation
• Laser-Lenkung
• Laser-Waffen

4. Tägliche Anwendungen

• Laserdrucker
• Optische Laufwerke für Computer
• Barcode-Scanner
• Laser-Fälschungssicherheit
• Laser-Neonlichter

5. Anwendungen im Bereich der Kommunikation

• Weltraum-Laserkommunikation
• Faseroptische Kommunikation

V. Mechanismen der Schädigung durch Laserwaffen

1. Ablationseffekt - Lokale Hochtemperatur

2. Schockwellen-Effekt

3. Strahlungseffekt - starkes elektromagnetisches Feld

VI. Vorteile von Laserwaffen

1. Keine Notwendigkeit für ballistische Berechnungen

2. Kein Rückstoß

3. Einfache Bedienung, wendig und vielseitig einsetzbar

4. Keine radioaktive Verschmutzung, hohes Kosten-Nutzen-Verhältnis

Fast alle in der optischen Kommunikation verwendeten Laser sind Halbleiterlaser, nur einige wenige CATV-Systeme verwenden 1310-Nanometer- oder 1550-Nanometer-LD-gepumpte Festkörperlaser.

Bei den in der Kommunikation verwendeten Lasern handelt es sich hauptsächlich um zwei Arten: Pumplichtquellen, die in Glasfaserverstärkern eingesetzt werden, und Signallichtquellen, die in Sendern verwendet werden.

Laser, die in der Free Space Optics (FSO)-Kommunikation eingesetzt werden, gibt es in zwei Ausführungen: 850nm und 1550nm.

VII. Laser-Entfernungsmessung

Nutzen Sie die Monochromatizität, die starke Kohärenz und die Richtwirkung von Lasern für hochpräzise Messungen und Inspektionen, z. B. für die Messung von Länge, Entfernung, Geschwindigkeit und Winkeln.

VIII. Laserschweißen

IX. Laser Rapid Prototyping

X. Laser-Gravur

XI. Laser-Kernfusion

XII. Medizinische Laserbehandlung

XIII. Laser-Kommunikation

Da die Frequenz von Lichtwellen um mehrere Größenordnungen höher ist als die von Radiowellen, kann eine sehr dünne Glasfaser eine Informationsmenge übertragen, die der eines Kabels dieser Dicke auf dem Bild entspricht.

XIV. Laser-Waffen

XV. Laser-Anzeige