Kompleksowy przewodnik po zasadach i zastosowaniach laserów

I. Zasady działania laserów

Podstawowa struktura lasera:

1. Substancja robocza

Medium aktywne lasera odnosi się do systemu materiałowego używanego do osiągnięcia inwersji populacji i wzmocnienia stymulowanego promieniowania światła. Czasami jest również określany jako ośrodek wzmocnienia lasera. Mogą to być ciała stałe (kryształy, szkło), gazy (gaz atomowy, gaz jonowy, gaz molekularny), półprzewodniki i media ciekłe.

Głównym wymaganiem dla ośrodka aktywnego lasera jest osiągnięcie jak największej inwersji populacji między określonymi poziomami energetycznymi jego cząstek roboczych i utrzymanie tej inwersji tak skutecznie, jak to możliwe w całym procesie emisji laserowej. W tym celu ośrodek aktywny powinien mieć odpowiednią strukturę poziomów energetycznych i charakterystykę przejścia.

2. Źródło pompowania

System wzbudzania (pompowania) odnosi się do mechanizmu lub urządzenia, które zapewnia źródło energii do osiągnięcia i utrzymania inwersji cząstek w materiale roboczym lasera. W zależności od materiału roboczego i warunków pracy lasera można zastosować różne metody i urządzenia wzbudzające. Istnieją cztery popularne typy:

①. Wzbudzenie optyczne (pompowanie optyczne). Polega ono na wykorzystaniu światła emitowanego z zewnętrznego źródła światła do napromieniowania materiału roboczego w celu uzyskania inwersji cząstek. Całe urządzenie wzbudzające składa się zazwyczaj z wyładowczego źródła światła (takiego jak lampa ksenonowa lub kryptonowa) i kondensatora.

②. Wzbudzenie wyładowaniami gazowymi. Obejmuje to wykorzystanie procesu wyładowania gazowego zachodzącego w gazowym materiale roboczym w celu uzyskania inwersji cząstek. Całe urządzenie wzbudzające składa się zazwyczaj z elektrod wyładowczych i zasilacza wyładowczego.

③. Wzbudzenie chemiczne. Obejmuje to wykorzystanie procesu reakcji chemicznej zachodzącej w materiale roboczym w celu uzyskania inwersji cząstek. Zwykle wymaga to odpowiednich reagentów chemicznych i odpowiednich środków wyzwalających.

④. Wzbudzenie energii jądrowej. Obejmuje to wykorzystanie fragmentów rozszczepienia, wysokoenergetycznych cząstek lub promieniowania wytwarzanego przez reakcję rozszczepienia jądrowego na małą skalę w celu wzbudzenia materiału roboczego i uzyskania inwersji cząstek.

3. Wnęka rezonansowa - Zwiększa odległość propagacji fal świetlnych w ośrodku wzmacniającym.

Rezonator optyczny jest zwykle konstruowany poprzez połączenie dwóch luster o określonych kształtach geometrycznych i charakterystyce odbicia optycznego w określony sposób. Jego funkcje są następujące:

①. Aby zapewnić możliwość optycznego sprzężenia zwrotnego, umożliwiając stymulowanym fotonom emisyjnym wielokrotne przemieszczanie się tam iz powrotem we wnęce w celu utworzenia spójnych, trwałych oscylacji.

②. Aby ograniczyć kierunek i częstotliwość oscylujących wiązek światła we wnęce, zapewniając, że laser wyjściowy ma określoną kierunkowość i monochromatyczność.

Pierwsza funkcja rezonatora jest określana przez kształt geometryczny (promień krzywizny powierzchni odbijającej) i względną metodę łączenia dwóch luster, które zwykle tworzą wnękę. Druga funkcja jest określana przez różne charakterystyki strat selektywnych danego typu rezonatora dla światła o różnych kierunkach ruchu i częstotliwościach we wnęce.

II. Klasyfikacja laserów

Laserowe medium robocze:

• Lasery półprzewodnikowe (lasery światłowodowe)
• Lasery gazowe
• Lasery półprzewodnikowe
• Lasery barwnikowe
• Lasery na swobodnych elektronach

Tryby pracy lasera:

• Ciągły
• Impuls: Pojedynczy impuls; Powtarzalna częstotliwość; Quasi-ciągły

Według składu chemicznego:

• Lasery atomowe
• Lasery molekularne
• Lasery jonowe
• Lasery na swobodnych elektronach
• Lasery ekscymerowe

Metody modulacji laserowej:

• Swobodny bieg
• Q-switching
• Blokada trybu

III. Typowe lasery

1. Lasery półprzewodnikowe

Są one podzielone na dwie kategorie: krystaliczne i szklane, wykonane poprzez domieszkowanie jonów aktywujących w materiale bazowym.

Obecnie ponad 200 różnych systemów z domieszką bazową zrealizowało oscylację laserową jako materiał roboczy, ale trzy typy, które są szeroko stosowane i mają dobrą wydajność, są następujące:

(1) Szklany laser neodymowy

Pierwiastek ziem rzadkich neodym jest domieszkowany w szkle jako materiał roboczy, λ = 1,053 μm. Ponieważ można uzyskać dużą objętość i dobrą jednorodność szkła neodymowego, można je przekształcić w duże urządzenia, uzyskując lasery o wysokiej energii i mocy. Wyprodukowano laser o mocy wyjściowej 1014 W.

(2) Laser rubinowy

• Materiał roboczy: Rubinowy kryształ
• Długość fali wyjściowej: λ=694,3 nm
• Szerokość linii wyjściowej: Δλ=0,01~0,1nm
• Tryb pracy: ciągły, impulsowy
• Kąt rozbieżności: θ ≈ 10^-3rad, generalnie wyjście wielomodowe; moc pompy > próg 10~20%→ tryb pojedynczy

(3) Granat itrowo-glinowy domieszkowany neodymem (Nd:YAG)

• Materiał roboczy: Kryształ YAG domieszkowany pierwiastkiem ziem rzadkich - neodymem
• Długość fali wyjściowej: λ=1064nm, 914nm, 1319nm
• Tryb pracy: Ciągły, impuls o wysokiej częstotliwości powtarzania

Ze względu na możliwość domieszkowania wysokim stężeniem neodymu, materiał roboczy może zapewnić wyższą moc lasera na jednostkę objętości, a laser może być mniejszy. Jeśli jako źródło pompy wykorzystywany jest laser półprzewodnikowy, objętość urządzenia może być jeszcze mniejsza.

(4) Przestrajalny laser tytanowo-szafirowy o fali ciągłej

3900S CW przestrajalny laser ti:szafirowy

Wysokowydajny, przestrajalny, półprzewodnikowy laser IR

Długość fali wyjściowej w zakresie od 675 do 1100nm

Pompowanie laserem Ar lub LD pompującym laser 532 nm

TEM₀₀ Moc wyjściowa może osiągnąć do 3,5Wcw

Zastosowania:

• Spektroskopia
• Laser światłowodowy badania
• Badania telekomunikacyjne
• Badania półprzewodników

2. Lasery gazowe

• Materiał roboczy: Różne gazy mieszane, dobra jednorodność optyczna.
• Lasery gazowe są lepsze pod względem monochromatyczności i stabilności wiązki w porównaniu do laserów na ciele stałym, półprzewodnikowych i ciekłych.
• Linie widma osiągnęły tysiące typów (160nm ~ 4mm).
• Tryb pracy: Praca ciągła (większość przypadków)

Słabością większości laserów gazowych jest brak wysokiej mocy chwilowej.

Powód: Zazwyczaj ciśnienie gazu jest niskie, co skutkuje mniejszą liczbą cząstek na jednostkę objętości.

(1) Laser helowo-neonowy

Materiał roboczy: Mieszanina gazów helu i neonu

Laser jest emitowany przez atomy neonu, podczas gdy hel poprawia warunki wyładowania gazowego, zwiększając w ten sposób moc wyjściową lasera.

Długość fali wyjściowej: Powszechnie stosowana długość fali to 632,8 nm.

W zależności od wybranych warunków pracy, laser może emitować światło bliskiej podczerwieni, czerwone, żółte i zielone.

(λ=3,39μm; λ=1,15μm)

(2) CO₂ Laser

Materiał roboczy: Mieszanina CO₂, He, N₂i gazy Xe

Laser jest emitowany przez CO₂ podczas gdy inne gazy pomagają poprawić warunki pracy lasera, zwiększając moc wyjściową, stabilność i żywotność lasera.

Długość fali wyjściowej: λ=10,6 μm

Laser CO2 ma najwyższą moc wyjściową laser gazowyo mocy ciągłej 50 kW i mocy impulsowej 1012 W.

(3) Laser argonowo-jonowy

Laser argonowy/kryptonowo-jonowy, Stabilite2017 Laser argonowy/krytonowo-jonowy

Długość fali wyjściowej:

• λ =488nm；
• λ = 514,5 nm ；

Najwyższa moc wyjściowa w obszarze światła widzialnego

Moc wyjściowa waha się od kilku watów do kilkuset watów.

3. Laser helowo-kadmowy

Wykorzystując pary kadmu metalicznego jako materiał emitujący, ma głównie dwie ciągłe linie widmowe, a mianowicie promieniowanie ultrafioletowe o długości fali 325 nm i niebieskie światło 441,6 nm. Typowa moc wyjściowa wynosi odpowiednio 1 ~ 25 mW i 1 ~ 100 mW. Jego główne obszary zastosowań obejmują druk typograficzny, liczenie komórek krwi, kontrolę układów scalonych i eksperymenty fluorescencji indukowanej laserem itp.

(1). Laser par miedzi

Typowo wzbudzane poprzez zderzenie elektronów, jego dwie główne robocze linie widmowe to zielone światło o długości fali 510,5nm i żółte światło o długości fali 578,2nm. Przy typowej szerokości impulsu od 10 do 50nS, częstotliwość powtarzania może osiągnąć nawet 100KHz. Na obecnym poziomie, energia pojedynczego impulsu wynosi około 1mJ. Oznacza to, że średnia moc może osiągnąć do 100W, podczas gdy moc szczytowa może wzrosnąć nawet do 100KW.

(2). Laser molekularny azotowy

Impulsowe wzbudzenie wyładowania emituje fioletowe światło zewnętrzne o mocy szczytowej sięgającej dziesiątek megawatów, szerokości impulsu mniejszej niż 10nS i częstotliwości powtarzania od dziesiątek Hz do tysięcy Hz. Jest on używany głównie jako źródło pompy dla laserów barwnikowych i może być również wykorzystywany do analizy spektralnej, wykrywania, medycyny i fotochemii. Typowe długości fal: 337,1 nm, 357,7 nm.

3. Laser półprzewodnikowy

Wykonane z materiałów półprzewodnikowych o różnych komponentach.

Laser z aktywnym obszarem i obszarem ograniczenia.

Charakterystyka: Najmniejszy rozmiar, najlżejsza waga, długa żywotność, efektywny czas użytkowania przekracza 100 000 godzin.

Zakres długości fal wyjściowych: Ultrafiolet, światło widzialne, podczerwień

Moc wyjściowa: mW, W, kW.

Schemat lasera półprzewodnikowego DFB

Schemat lasera półprzewodnikowego DBR

Laser z pionową emisją powierzchniową wnęki (VCSEL)

Kwantowe lasery kaskadowe, QCL

Nowy typ unipolarnego urządzenia półprzewodnikowego opartego na zasadzie przejścia elektronów między podzakresami w półprzewodnikowych studniach kwantowych i rezonansowym tunelowaniu wspomaganym fononami.

Sprzężony światłowód (pakiet pigtail)

Półprzewodnikowe urządzenia laserowe

Laser światłowodowy z pojedynczą emisją typu ProLite

IV. Zastosowania laserów

1. Zastosowania przemysłowe

• Precyzyjny pomiar (odległość, przemieszczenie)
• Obróbka laserowa (cięcie, spawanie, wiercenie, grawerowanie)
• Analiza widmowa

2. Zastosowania medyczne

• Okulistyka
• Chirurgia ogólna
• Stomatologia
• Dermatologia

3. Zastosowania wojskowe

• Dalmierz laserowy
• Rozpoznanie laserowe
• Atmosferyczna komunikacja laserowa
• Naprowadzanie laserowe
• Broń laserowa

4. Codzienne aplikacje

• Drukarki laserowe
• Napędy optyczne do komputerów
• Skanery kodów kreskowych
• Laserowe przeciwdziałanie fałszerstwom
• Neony laserowe

5. Zastosowania w dziedzinie komunikacji

• Kosmiczna komunikacja laserowa
• Komunikacja światłowodowa

V. Mechanizmy uszkodzeń powodowanych przez broń laserową

1. Efekt ablacji - lokalna wysoka temperatura

2. Efekt fali uderzeniowej

3. Efekt promieniowania - silne pole elektromagnetyczne

VI. Zalety broni laserowej

1. Nie ma potrzeby wykonywania obliczeń balistycznych

2. Brak odrzutu

3. Łatwa obsługa, zwinność i wszechstronne zastosowanie

4. Brak zanieczyszczeń radioaktywnych, wysoki współczynnik opłacalności

Prawie wszystkie lasery stosowane w komunikacji optycznej to lasery półprzewodnikowe, a tylko niewielka liczba systemów CATV wykorzystuje lasery półprzewodnikowe pompowane LD o długości fali 1310 nanometrów lub 1550 nanometrów.

Lasery stosowane w komunikacji są głównie dwojakiego rodzaju: źródła światła pompującego stosowane we wzmacniaczach światłowodowych i źródła światła sygnałowego stosowane w nadajnikach.

Lasery używane w komunikacji Free Space Optics (FSO) są dostępne w dwóch typach: 850nm i 1550nm.

VII. Laserowy pomiar odległości

Wykorzystaj monochromatyczność, silną spójność i kierunkowość laserów, aby uzyskać bardzo precyzyjne pomiary i inspekcje, takie jak pomiar długości, odległości, prędkości i kątów.

VIII. Spawanie laserowe

IX. Laserowe szybkie prototypowanie

X. Grawerowanie laserowe

XI. Laserowa synteza jądrowa

XII. Laserowe leczenie medyczne

XIII. Komunikacja laserowa

Ponieważ częstotliwość fal świetlnych jest o kilka rzędów wielkości wyższa niż częstotliwość fal radiowych, bardzo cienki światłowód może przenosić ilość informacji równoważną tej, jaką może przenosić kabel o tej grubości na zdjęciu.

XIV. Broń laserowa

XV. Wyświetlacz laserowy