Исчерпывающее руководство по принципам и применению лазеров

I. Принципы работы лазеров

Основная структура лазера:

1. Рабочее вещество

Лазерно-активная среда - это материальная система, используемая для достижения инверсии населенности и усиления стимулированного излучения света. Иногда ее также называют средой лазерного усиления. Это могут быть твердые (кристаллы, стекло), газовые (атомарный газ, ионный газ, молекулярный газ), полупроводники и жидкие среды.

Основным требованием к лазерно-активной среде является достижение максимально возможной инверсии населенностей между определенными энергетическими уровнями ее рабочих частиц и максимально эффективное поддержание этой инверсии в течение всего процесса лазерного излучения. Для этого активная среда должна иметь соответствующую структуру энергетических уровней и характеристики перехода.

2. Источник перекачки

Система возбуждения (накачки) относится к механизму или устройству, которое обеспечивает источник энергии для достижения и поддержания инверсии частиц в рабочем материале лазера. В зависимости от рабочего материала и условий работы лазера могут применяться различные методы и устройства возбуждения. Существует четыре распространенных типа:

①. Оптическое возбуждение (оптическая накачка). Этот метод предполагает использование света, излучаемого внешним источником, для облучения рабочего материала с целью достижения инверсии частиц. Все устройство для возбуждения обычно состоит из газоразрядного источника света (например, ксеноновой или криптоновой лампы) и конденсора.

②. Возбуждение газовым разрядом. Для инверсии частиц используется процесс газового разряда, происходящий в газовом рабочем материале. Все устройство для возбуждения обычно состоит из разрядных электродов и источника питания.

③. Химическое возбуждение. Для инверсии частиц используется процесс химической реакции, протекающий в рабочем материале. Для этого обычно требуются соответствующие химические реактивы и соответствующие триггеры.

④. Возбуждение ядерной энергии. Это предполагает использование осколков деления, высокоэнергетических частиц или излучения, образующихся в результате маломасштабной реакции деления ядер, для возбуждения рабочего материала и достижения инверсии частиц.

3. Резонансный резонатор - для увеличения расстояния распространения световых волн в среде усиления

Оптический резонатор обычно создается путем комбинирования двух зеркал с определенными геометрическими формами и оптическими характеристиками отражения определенным образом. Его функциями являются:

①. Обеспечение возможности оптической обратной связи, позволяющей фотонам стимулированного излучения многократно перемещаться туда-сюда внутри резонатора для формирования когерентных устойчивых колебаний.

②. Ограничение направления и частоты колебаний световых пучков внутри резонатора, что обеспечивает определенную направленность и монохроматичность выходного лазера.

Первая функция резонатора определяется геометрической формой (радиусом кривизны отражающей поверхности) и способом совмещения двух зеркал, из которых обычно состоит резонатор. Вторая функция определяется различными характеристиками селективных потерь для света с различными направлениями и частотами внутри резонатора, характерными для данного типа резонатора.

II. Классификация лазеров

Лазерная рабочая среда:

• Твердотельные лазеры (волоконные лазеры)
• Газовые лазеры
• Полупроводниковые лазеры
• Лазеры на красителях
• Лазеры на свободных электронах

Режимы работы лазера:

• Непрерывный
• Импульс: одиночный импульс; повторяющаяся частота; квазинепрерывный

По химическому составу:

• Атомные лазеры
• Молекулярные лазеры
• Ионные лазеры
• Лазеры на свободных электронах
• Эксимерные лазеры

Методы лазерной модуляции:

• Свободный бег
• Q-switching
• Блокировка режима

III. Типичные лазеры

1. Твердотельные лазеры

Они делятся на две категории: кристаллические и стеклянные, изготовленные путем допирования активирующих ионов в основной материал.

В настоящее время более 200 различных систем с базовым легированием реализуют лазерные колебания в качестве рабочего материала, но три типа, которые широко используются и имеют хорошие характеристики, следующие:

(1) Лазер из неодимового стекла

Редкоземельный элемент неодим легирован в стекло в качестве рабочего материала, λ = 1,053 мкм. Благодаря большому объему и хорошей однородности неодимового стекла его можно использовать в больших устройствах, получая лазеры высокой энергии и мощности. Был изготовлен лазер с выходной мощностью 1014 Вт.

(2) Рубиновый лазер

• Рабочий материал: Рубиновый кристалл
• Длина выходной волны: λ=694,3 нм
• Ширина выходной линии: Δλ=0,01~0,1 нм
• Режим работы: непрерывный, импульсный
• Угол расхождения: θ ≈ 10^-3Рад, обычно многорежимный выход; мощность накачки > порога 10~20%→однорежимный

(3) Алюминиевый гранат, легированный неодимом и иттрием (Nd:YAG)

• Рабочий материал: Кристалл YAG, легированный редкоземельным элементом неодимом
• Выходная длина волны: λ=1064 нм, 914 нм, 1319 нм
• Режим работы: Непрерывный, импульсный с высокой частотой повторения

Благодаря возможности легирования высокой концентрацией неодима, рабочий материал может обеспечить более высокую мощность лазера на единицу объема, а сам лазер можно сделать меньше. Если в качестве источника накачки используется полупроводниковый лазер, объем устройства может быть еще меньше.

(4) Перестраиваемый титан-сапфировый лазер непрерывной волны

3900S CW перестраиваемый Ti:сапфировый лазер

Высокопроизводительный, перестраиваемый, твердотельный ИК-лазер

Диапазон длин волн выходного сигнала от 675 до 1100 нм

Накачка лазером Ar или LD накачка лазером 532 нм

TEM₀₀ Выходная мощность может достигать 3,5 Вт/квт

Приложения:

• Спектроскопия
• Волоконный лазер исследование
• Исследования в области телекоммуникаций
• Исследования полупроводников

2. Газовые лазеры

• Рабочий материал: Различные смешанные газы, хорошая оптическая однородность.
• Газовые лазеры превосходят по монохроматичности и стабильности луча твердотельные, полупроводниковые и жидкостные лазеры.
• Линии спектра достигают тысячи типов (160 нм ~ 4 мм).
• Режим работы: Непрерывная работа (в большинстве случаев)

Недостаток большинства газовых лазеров - невысокая мгновенная мощность.

Причина: Как правило, давление газа низкое, что приводит к меньшему количеству частиц на единицу объема.

(1) Гелий-неоновый лазер

Рабочий материал: Смесь газов гелия и неона

Лазер излучается атомами неона, а гелий улучшает условия газового разряда, тем самым повышая выходную мощность лазера.

Длина выходной волны: Обычно используется 632,8 нм

В зависимости от выбранных условий работы лазер может излучать ближний инфракрасный, красный, желтый и зеленый свет.

(λ=3,39 мкм; λ=1,15 мкм)

(2) CO₂ Лазер

Рабочий материал: Смесь CO₂, He, N₂, и газы Xe

Лазер излучает CO₂ молекулы, в то время как другие газы способствуют улучшению условий работы лазера, повышая выходную мощность, стабильность и срок службы лазера.

Длина волны на выходе: λ=10,6 мкм

CO2-лазер имеет самую высокую выходную мощность. газовый лазерС непрерывной мощностью 50 кВт; и импульсной мощностью 1012 Вт.

(3) Аргон-ионный лазер

Аргоновый/криптоновый ионный лазер, Stabilite2017 Аргоновый/криптоновый ионный лазер

Длина выходной волны:

• λ =488 нм；
• λ =514,5 нм ；

Самая высокая выходная мощность в области видимого света

Выходная мощность варьируется от нескольких ватт до нескольких сотен ватт.

3. Гелий-кадмиевый лазер

Используя пары металлического кадмия в качестве излучающего материала, он в основном имеет две непрерывные спектральные линии, а именно: ультрафиолетовое излучение с длиной волны 325 нм и синий свет 441,6 нм. Типичная выходная мощность составляет соответственно 1~25 мВт и 1~100 мВт. Его основные области применения включают буквенную печать, подсчет клеток крови, проверку интегральных микросхем, эксперименты по лазерно-индуцированной флуоресценции и т.д.

(1). Лазер на парах меди

Обычно возбуждается за счет столкновения электронов, две его основные рабочие спектральные линии - зеленый свет с длиной волны 510,5 нм и желтый свет с длиной волны 578,2 нм. При типичной длительности импульса от 10 до 50 нс частота повторения может достигать 100 КГц. На современном уровне энергия одного импульса составляет около 1 мДж. Это означает, что средняя мощность может достигать 100 Вт, а пиковая - 100 КВт.

(2). Молекулярный лазер на азоте

Импульсный разряд возбуждения выдает фиолетовый внешний свет, пиковая мощность которого достигает десятков мегаватт, длительность импульса менее 10 нс, частота повторения от десятков Гц до тысяч Гц. В основном используется в качестве источника накачки для лазеров на красителях, а также может применяться для спектрального анализа, детектирования, медицины и фотохимии. Распространенные длины волн: 337,1 нм, 357,7 нм.

3. Полупроводниковый лазер

Изготовлен из полупроводниковых материалов, состоящих из различных компонентов.

Лазер с активной областью и областью ограничений.

Характеристики: Самый маленький размер, самый легкий вес, долгий срок службы, время эффективного использования превышает 100 000 часов.

Диапазон выходных длин волн: Ультрафиолетовый, видимый, инфракрасный

Выходная мощность: мВт, Вт, кВт.

Принципиальная схема полупроводникового лазера DFB

Принципиальная схема полупроводникового лазера DBR

Лазер с вертикальным резонатором, излучающий на поверхность (VCSEL)

Квантовые каскадные лазеры, QCLs

Новый тип униполярного полупроводникового прибора, основанный на принципе перехода электронов между подполосами в полупроводниковых квантовых ямах и резонансном туннелировании с помощью фононов.

Оптоволоконное соединение (пакет "пигтейл")

Полупроводниковые лазерные устройства

Тип ProLite Лазер с волоконной связью с одним излучением

IV. Применение лазеров

1. Промышленное применение

• Точные измерения (расстояние, перемещение)
• Лазерная обработка (резка, сварка, сверление, гравировка)
• Спектральный анализ

2. Применение в медицине

• Офтальмология
• Общая хирургия
• Стоматология
• Дерматология

3. Военное применение

• Лазерная дальнометрия
• Лазерная разведка
• Атмосферная лазерная связь
• Лазерное наведение
• Лазерное оружие

4. Ежедневные приложения

• Лазерные принтеры
• Оптические приводы для компьютеров
• Сканеры штрих-кодов
• Лазерная защита от подделок
• Лазерные неоновые лампы

5. Применение в области связи

• Космическая лазерная связь
• Оптоволоконная связь

V. Механизмы повреждения от лазерного оружия

1. Эффект абляции - локальная высокая температура

2. Эффект ударной волны

3. Эффект излучения - сильное электромагнитное поле

VI. Преимущества лазерного оружия

1. Нет необходимости в баллистическом расчете

2. Отсутствие отдачи

3. Простота эксплуатации, маневренность и универсальность использования

4. Отсутствие радиоактивного загрязнения, высокая рентабельность

Почти все лазеры, используемые в оптической связи, являются полупроводниковыми, и лишь в небольшом количестве систем CATV используются полупроводниковые лазеры с LD-накачкой на 1310 или 1550 нанометров.

Лазеры, используемые в связи, в основном бывают двух типов: источники света накачки, применяемые в волоконно-оптических усилителях, и источники сигнального света, используемые в передатчиках.

Лазеры, используемые для связи по оптике свободного пространства (FSO), бывают двух типов: 850 нм и 1550 нм.

VII. Лазерная дальность

Используйте монохроматичность, сильную когерентность и направленность лазеров для проведения высокоточных измерений и проверок, таких как измерение длины, расстояния, скорости и углов.

VIII. Лазерная сварка

IX. Лазерное быстрое прототипирование

X. Лазерная гравировка

XI. Лазерный ядерный синтез

XII. Лазерное лечение

XIII. Лазерная связь

Поскольку частота световых волн на несколько порядков выше частоты радиоволн, очень тонкое оптическое волокно может переносить количество информации, эквивалентное тому, что может перенести кабель такой толщины на картинке.

XIV. Лазерное оружие

XV. Лазерный дисплей