Typy laserów 101: Przewodnik po klasyfikacjach laserów

Lasery można klasyfikować na różne sposoby, zazwyczaj według aktywnego medium, metody wzbudzenia, trybu wyjściowego i zakresu długości fal.

Klasyfikacja według ośrodka aktywnego dzieli lasery na lasery na ciele stałym, gazowe, cieczowe i półprzewodnikowe.

Co więcej, lasery można sklasyfikować na podstawie ich mocy wyjściowej jako falę ciągłą lub impulsową.

(1) Lasery półprzewodnikowe

Lasery na ciele stałym wykorzystują materiały takie jak rubin, szkło neodymowe i granat itrowo-glinowy (YAG), w których niewielka ilość jonów jest równomiernie domieszkowana do kryształu głównego lub szkła. Domieszkowane jony, znane jako jony aktywne, są odpowiedzialne za emisję lasera. Jony metali przejściowych, takie jak chrom (Cr³⁺) i jony metali ziem rzadkich, takich jak neodym (Nd³⁺) i erb mogą służyć jako jony aktywne.

Lasery te są zwykle wzbudzane światłem, z popularnymi impulsowymi źródłami światła, w tym ksenonowymi lampami błyskowymi, oraz źródłami ciągłymi, takimi jak kryptonowe lampy łukowe, jodowe lampy wolframowe i potasowe lampy rubidowe. W małych laserach o długiej żywotności, źródłem wzbudzenia mogą być diody elektroluminescencyjne lub światło słoneczne. Niektóre nowe lasery na ciele stałym są również wzbudzane przez inne lasery.

Lasery półprzewodnikowe charakteryzują się kompaktowymi rozmiarami, wytrzymałością, łatwością obsługi i wysoką mocą wyjściową. Ich moc ciągła może przekraczać 100 W, podczas gdy moc szczytowa impulsu może osiągnąć nawet 10 W.⁹W. Jednak ze względu na skomplikowane przygotowanie aktywnego medium, są one zazwyczaj drogie.

(2) Lasery gazowe

Lasery gazowe wykorzystują gazy lub opary metali jako czynnik aktywny, zwykle zawarty w rurze wyładowczej do generowania aktywnych jonów. Ich główne metody wzbudzania obejmują elektryczne, aerodynamiczne, fotoniczne i chemiczne, przy czym elektryczne są najbardziej powszechne.

W odpowiednich warunkach wyładowania cząsteczki gazu są selektywnie wzbudzane do wyższego poziomu energetycznego, tworząc inwersję liczby cząsteczek między tym a niższym poziomem energetycznym, co prowadzi do stymulowanych przejść emisji. Lasery gazowe mogą być atomowe, jonowe, molekularne lub ekscymerowe.

Molekularne lasery gazowe często wykorzystują CO₂ jako medium, emitujące głównie fale podczerwone, które ze względu na ich wysoki efekt termiczny są powszechnie stosowane w cięcie laseroweLasery ekscymerowe są stosowane w medycynie, obróbce mechanicznej, a także do wyznaczania odległości i komunikacji. Lasery ekscymerowe emitują w zakresie ultrafioletu i są wykorzystywane w precyzyjnej obróbce, fotolitografii i medycynie.

Lasery gazowe charakteryzują się prostą konstrukcją, niskim kosztem, wygodą, dobrą jakością wiązki oraz możliwością ciągłej i stabilnej pracy przez długi czas. Są one najbardziej zróżnicowanym i szeroko stosowanym typem lasera.

(3) Lasery cieczowe

Lasery cieczowe, znane również jako lasery barwnikowe, wykorzystują barwniki organiczne jako medium aktywne rozpuszczone w rozpuszczalnikach, takich jak etanol, aceton lub woda, ale mogą również działać w postaci pary. Typowe barwniki organiczne obejmują rodaminę, kumarynę i ftalocyjaninę, które umożliwiają generowanie różnych długości fal laserowych w zakresie widzialnym. Lasery cieczowe są często pompowane optycznie przez lasery lub lampy błyskowe.

Ich zakres długości fal rozciąga się od ultrafioletu do podczerwieni (321 nm do 1,168 μm), który można rozszerzyć do zakresu ultrafioletu próżniowego za pomocą technik podwajania częstotliwości. Zalety laserów cieczowych obejmują przestrajalną ciągłą moc wyjściową w szerokim zakresie i są wykorzystywane głównie w badaniach naukowych i medycynie, takich jak spektroskopia laserowa, fotochemia, separacja izotopów i fotobiologia.

(4) Lasery półprzewodnikowe

Lasery półprzewodnikowe, znane również jako diody laserowe, wykorzystują materiały półprzewodnikowe jako medium aktywne. Ze względu na różnice strukturalne, proces generowania lasera jest dość unikalny dla różnych typów materiałów półprzewodnikowych. Typowe materiały aktywne obejmują arsenek galu (GaAs), siarczek kadmu (CdS), fosforek indu (InP) i siarczek cynku (ZnS).

Istnieją trzy główne metody wzbudzania: wstrzykiwanie elektryczne, wzbudzanie wiązką elektronów i pompowanie optyczne. Lasery półprzewodnikowe dzielą się na lasery homozłączowe, lasery z pojedynczym złączem heterozłączowym i lasery z podwójnym złączem heterozłączowym. Lasery homozłączowe i z pojedynczym złączem heterozłączowym działają zazwyczaj jako urządzenia impulsowe w temperaturze pokojowej, podczas gdy lasery z podwójnym złączem heterozłączowym mogą działać w sposób ciągły w temperaturze pokojowej.

Lasery półprzewodnikowe są kompaktowe, mają długą żywotność i mogą być łatwo pompowane poprzez prosty zastrzyk prądu. Ich napięcie robocze i prąd są kompatybilne z układami scalonymi, umożliwiając monolityczną integrację. Co więcej, mogą być modulowane bezpośrednio na częstotliwościach do 50-100 GHz w celu uzyskania szybkiej mocy wyjściowej lasera.

Dzięki tym zaletom lasery półprzewodnikowe są szeroko stosowane w komunikacji laserowej, optycznej pamięci masowej, żyroskopach optycznych, drukowaniu laserowym, wykrywaniu zasięgu i zastosowaniach radarowych.

(5) Lasery światłowodowe

Lasery światłowodowe to rodzaj lasera na ciele stałym, w którym medium aktywnym jest światłowód domieszkowany ziemią rzadką. Źródło pompujące lasera światłowodowego składa się z jednej lub więcej diod laserowych o dużej mocy. Emitowane światło pompy jest sprzęgane z włóknem domieszkowanym ziemią rzadką za pośrednictwem specjalnej struktury pompującej. Fotony o długości fali pompy są absorbowane przez domieszkowane medium światłowodowe, tworząc inwersję populacji, która prowadzi do stymulowanej emisji.

Emitowane fale świetlne są odbijane przez zwierciadła rezonatora, oscylując w celu wytworzenia sygnału wyjściowego lasera. Lasery światłowodowe charakteryzują się wysoką wydajnością sprzęgania, mogą łatwo osiągnąć wysoką gęstość mocy i mają doskonałe rozpraszanie ciepła, eliminując potrzebę stosowania nieporęcznych systemów chłodzenia. Charakteryzują się wysoką wydajnością konwersji, niskimi progami, doskonałą jakością wiązki i wąskimi szerokościami linii.

Dodatkowo, lasery światłowodowe mają wnękę rezonatora wolną od soczewek optycznych, co skutkuje bezobsługową pracą, wysoką stabilnością i niezwykle długą żywotnością przekraczającą 100 000 godzin. W rezultacie lasery światłowodowe stopniowo zastępują inne typy laserów w zastosowaniach przemysłowych, takich jak cięcie, znakowanie i spawanie.