Lazer Prensipleri ve Uygulamaları Üzerine Kapsamlı Bir Kılavuz

I. Lazerlerin Prensipleri

Bir lazerin temel yapısı:

1. Çalışma maddesi

Lazer-aktif ortam, popülasyon inversiyonu elde etmek ve uyarılmış ışık radyasyonunu yükseltmek için kullanılan malzeme sistemini ifade eder. Bazen lazer kazanç ortamı olarak da adlandırılır. Bunlar katı (kristaller, cam), gaz (atomik gaz, iyonik gaz, moleküler gaz), yarı iletkenler ve sıvı ortamlar olabilir.

Lazer-aktif ortam için temel gereksinim, çalışan parçacıklarının belirli enerji seviyeleri arasında mümkün olduğunca fazla popülasyon inversiyonu elde etmek ve bu inversiyonu lazer emisyon süreci boyunca mümkün olduğunca etkili bir şekilde sürdürmektir. Bu amaçla, aktif ortam uygun bir enerji seviyesi yapısına ve geçiş özelliklerine sahip olmalıdır.

2. Pompalama kaynağı

Uyarma (pompalama) sistemi, lazer çalışma malzemesinde parçacık inversiyonunu sağlamak ve sürdürmek için bir enerji kaynağı sağlayan mekanizma veya cihazı ifade eder. Lazerin çalışma malzemesine ve çalışma koşullarına bağlı olarak, farklı uyarma yöntemleri ve cihazları benimsenebilir. Dört yaygın tür vardır:

①. Optik uyarma (optik pompalama). Bu, parçacık inversiyonu elde etmek amacıyla çalışma malzemesini ışınlamak için harici bir ışık kaynağından yayılan ışığın kullanılmasını içerir. Tüm uyarma cihazı tipik olarak bir gaz deşarj ışık kaynağı (ksenon lamba veya kripton lamba gibi) ve bir kondansatörden oluşur.

②. Gaz deşarjı uyarımı. Bu, partikül inversiyonu elde etmek için gaz çalışma malzemesi içinde meydana gelen gaz deşarj işleminin kullanılmasını içerir. Tüm uyarma cihazı genellikle deşarj elektrotları ve bir deşarj güç kaynağından oluşur.

③. Kimyasal uyarma. Bu, partikül inversiyonu elde etmek için çalışma malzemesi içinde meydana gelen kimyasal reaksiyon sürecinin kullanılmasını içerir. Bu genellikle uygun kimyasal reaktanlar ve ilgili tetikleme önlemleri gerektirir.

④. Nükleer enerji uyarımı. Bu, çalışma malzemesini uyarmak ve parçacık ters çevirme elde etmek için küçük ölçekli bir nükleer fisyon reaksiyonu tarafından üretilen fisyon parçalarının, yüksek enerjili parçacıkların veya radyasyonun kullanılmasını içerir.

3. Rezonans boşluğu - Işık dalgalarının kazanç ortamındaki yayılma mesafesini artırmak için

Bir optik rezonatör tipik olarak belirli geometrik şekillere ve optik yansıma özelliklerine sahip iki aynanın belirli bir şekilde birleştirilmesiyle oluşturulur. İşlevleri şunlardır:

①. Uyarılmış emisyon fotonlarının, tutarlı sürekli salınımlar oluşturmak için boşluk içinde birden çok kez ileri geri hareket etmesine olanak tanıyan optik geri besleme özelliği sağlamak.

②. Kavite içinde salınan ışık ışınlarının yönünü ve frekansını sınırlamak, çıkış lazerinin belirli bir yönlülüğe ve monokromatikliğe sahip olmasını sağlamak.

Rezonatörün ilk işlevi, geometrik şekil (yansıtıcı yüzeyin eğrilik yarıçapı) ve genellikle boşluğu oluşturan iki aynanın göreceli kombinasyon yöntemi ile belirlenir. İkinci işlev, kavite içinde farklı hareket yönlerine ve frekanslara sahip ışık için verilen rezonatör tipinin farklı seçici kayıp özellikleri tarafından belirlenir.

II. Lazerlerin Sınıflandırılması

Lazer çalışma ortamı ile:

• Katı hal lazerleri (Fiber lazerler)
• Gaz lazerleri
• Yarı iletken lazerler
• Boya lazerleri
• Serbest elektron lazerleri

Lazer çalışma modları:

• Sürekli
• Darbe: Tek darbe; Tekrarlayan frekans; Yarı sürekli

Kimyasal bileşime göre:

• Atomik lazerler
• Moleküler lazerler
• İyon lazerler
• Serbest elektron lazerleri
• Excimer lazerler

Lazer modülasyon yöntemleri:

• Serbest koşu
• Q-anahtarlama
• Mod kilitleme

III. Tipik Lazerler

1. Katı Hal Lazerler

Bunlar iki kategoriye ayrılır: kristal ve cam, temel malzemede aktive edici iyonların katkılanmasıyla yapılır.

Şu anda, 200'den fazla farklı baz katkılı sistem, çalışma malzemesi olarak lazer salınımını gerçekleştirmiştir, ancak yaygın olarak kullanılan ve iyi performansa sahip üç tip aşağıdaki gibidir:

(1) Neodimyum cam lazer

Nadir toprak elementi neodimyum, çalışma malzemesi olarak cama katkılanır, λ = 1.053 μm. Büyük hacimli ve iyi homojenlikte neodimyum cam elde edilebildiğinden, büyük cihazlara dönüştürülebilir, yüksek enerji ve güç lazerleri elde edilebilir. Çıkış gücü 1014W olan bir lazer üretilmiştir.

(2) Yakut lazer

• Çalışma malzemesi: Yakut kristali
• Çıkış dalga boyu: λ=694,3nm
• Çıkış çizgi genişliği: Δλ=0.01~0.1nm
• Çalışma modu: sürekli, darbeli
• Sapma açısı: θ ≈ 10^-3rad, genellikle çok modlu çıkış; Pompa gücü >eşik 10~20%→tek mod

(3) Neodimyum katkılı İtriyum Alüminyum Garnet (Nd:YAG)

• Çalışma malzemesi: Nadir toprak elementi Neodim ile katkılanmış YAG kristali
• Çıkış dalga boyu: λ=1064nm, 914nm, 1319nm
• Çalışma modu: Sürekli, yüksek tekrarlama oranlı darbe

Yüksek konsantrasyonda neodimyum ile uyuşturma yeteneği sayesinde, çalışma malzemesi birim hacim başına daha yüksek bir lazer gücü sağlayabilir ve lazer daha küçük hale getirilebilir. Pompa kaynağı olarak yarı iletken bir lazer kullanılırsa, cihaz hacmi daha da küçük olabilir.

(4) Sürekli Dalga Ayarlanabilir Titanyum Safir Lazer

3900S CW Ayarlanabilir Ti: safir Lazer

Yüksek performanslı, ayarlanabilir, katı hal IR lazer

Çıkış dalga boyu 675 ila 1100nm arasında değişir

Bir Ar lazer veya 532nm lazer pompalayan LD tarafından pompalanır

TEM₀₀ çıkış gücü 3,5Wcw'ye kadar ulaşabilir

Uygulamalar:

• Spektroskopi
• Fiber lazer araştırma
• Telekomünikasyon araştırmaları
• Yarı iletken çalışmaları

2. Gaz Lazerler

• Çalışma malzemesi: Çeşitli karışık gazlar, iyi optik homojenlik.
• Gaz lazerler, katı hal, yarı iletken ve sıvı lazerlere kıyasla monokromatiklik ve ışın kararlılığı açısından üstündür.
• Spektrum çizgileri binlerce türe ulaşmıştır (160nm ~ 4mm).
• Çalışma modu: Sürekli çalışma (çoğu durumda)

Çoğu gaz lazerinin yüksek anlık güce sahip olmama gibi bir zayıflığı vardır.

Sebep: Tipik olarak gaz basıncı düşüktür, bu da birim hacim başına daha az partikülle sonuçlanır.

(1) Helyum-Neon Lazer

Çalışma Malzemesi: Helyum ve Neon gazlarının karışımı

Lazer neon atomları tarafından yayılırken, helyum gaz deşarj koşullarını iyileştirir ve böylece lazerin çıkış gücünü artırır.

Çıkış Dalga Boyu: Yaygın olarak kullanılan 632.8nm'dir

Seçilen çalışma koşullarına bağlı olarak, lazer yakın kızılötesi, kırmızı, sarı ve yeşil ışık verebilir.

(λ=3,39μm; λ=1,15μm)

(2) CO₂ Lazer

Çalışma Malzemesi: Bir CO karışımı₂, He, N₂ve Xe gazları

Lazer CO tarafından yayılır₂ molekülleri, diğer gazlar ise lazerin çalışma koşullarının iyileştirilmesine yardımcı olarak lazerin çıkış gücünü, kararlılığını ve ömrünü artırır.

Çıkış Dalga Boyu: λ=10,6μm

CO2 lazer en yüksek güç çıkışıdır gaz lazer50kW sürekli çıkış ve 1012W darbe çıkışı ile.

(3) Argon İyon Lazer

Argon/Kripton İyon Lazer, Stabilite2017 Argon/Kripton İyon Lazer

Çıkış Dalga Boyu:

• λ =488nm；
• λ =514,5 nm ；

Görünür ışık alanında en yüksek çıkış gücü

Çıkış gücü birkaç watt ile birkaç yüz watt arasında değişir.

3. Helyum-Kadmiyum Lazer

Yayıcı malzeme olarak kadmiyum metal buharı kullanıldığında, esas olarak iki sürekli spektral çizgiye sahiptir, yani 325nm dalga boyuna sahip ultraviyole radyasyon ve 441.6nm mavi ışık. Tipik çıkış gücü sırasıyla 1 ~ 25mW ve 1 ~ 100mW'tır. Başlıca uygulama alanları arasında tipo baskı, kan hücresi sayımı, entegre devre çipi incelemesi ve lazer kaynaklı floresan deneyleri vb. yer alır.

(1). Bakır Buharlı Lazer

Tipik olarak elektron çarpışması yoluyla uyarılır, iki ana çalışma spektral çizgisi 510.5nm dalga boyunda yeşil ışık ve 578.2nm'de sarı ışıktır. Tipik bir darbe genişliği 10 ila 50nS ile tekrarlama frekansı 100KHz'e kadar ulaşabilir. Mevcut seviyede, tek bir darbenin enerjisi 1mJ civarındadır. Bu, ortalama gücün 100W'a kadar ulaşabileceği, tepe gücünün ise 100KW'a kadar yükselebileceği anlamına gelir.

(2). Azot Moleküler Lazer

Darbe deşarj uyarımı, onlarca megawatt'a ulaşan bir tepe gücü, 10nS'den daha az darbe genişliği, onlarca Hz'den binlerce Hz'ye kadar tekrarlama frekansı ile mor dış ışık verir. Öncelikle boya lazerleri için bir pompa kaynağı olarak kullanılır ve ayrıca spektral analiz, algılama, tıp ve fotokimya için de kullanılabilir. Yaygın dalga boyları: 337.1nm, 357.7nm.

3. Yarı İletken Lazer

Farklı bileşenlerden oluşan yarı iletken malzemelerden yapılmıştır.

Aktif alan ve kısıtlama alanı ile lazer.

Özellikler: Boyut olarak en küçük, ağırlık olarak en hafif, uzun hizmet ömrü, etkin kullanım süresi 100.000 saati aşar.

Çıkış dalga boyu aralığı: Ultraviyole, görünür, kızılötesi

Çıkış gücü: mW, W, kW.

DFB Yarı İletken Lazerin Şematik Diyagramı

DBR Yarı İletken Lazerin Şematik Diyagramı

Dikey Boşluklu Yüzey Yayan Lazer (VCSEL)

Kuantum kaskad lazerler, QCL'ler

Yarı iletken kuantum kuyularında alt bantlar arasında elektron geçişi ve fonon destekli rezonans tünelleme prensibine dayanan yeni bir tek kutuplu yarı iletken cihaz türü.

Fiber Bağlantılı (Pigtail Paket)

Yarı İletken Lazer Cihazları

ProLite Tip Fiber Bağlantılı Tek Emisyonlu Lazer

IV. Lazer Uygulamaları

1. Endüstriyel Uygulamalar

• Hassas ölçüm (mesafe, yer değiştirme)
• Lazer işleme (kesme, kaynak, delme, gravür)
• Spektral analiz

2. Tıbbi Uygulamalar

• Oftalmoloji
• Genel Cerrahi
• Diş Hekimliği
• Dermatoloji

3. Askeri Uygulamalar

• Lazer Mesafe Tespiti
• Lazer Keşif
• Atmosferik Lazer İletişimi
• Lazer Yönlendirme
• Lazer Silahları

4. Günlük Uygulamalar

• Lazer Yazıcılar
• Bilgisayar Optik Sürücüleri
• Barkod Tarayıcılar
• Lazer Sahteciliğe Karşı
• Lazer Neon Işıklar

5. İletişim Alanındaki Uygulamalar

• Uzay Lazer İletişimi
• Fiber Optik İletişim

V. Lazer Silahlarından Kaynaklanan Hasar Mekanizmaları

1. Ablasyon Etkisi - Yerel Yüksek Sıcaklık

2. Şok Dalgası Etkisi

3. Radyasyon Etkisi - Güçlü Elektromanyetik Alan

VI. Lazer Silahlarının Avantajları

1. Balistik hesaplamaya gerek yok

2. Geri tepme yok

3. Kolay kullanım, çeviklik ve çok yönlü kullanım

4. Radyoaktif kirlilik yok, yüksek maliyet-etkinlik oranı

Optik iletişimde kullanılan hemen hemen tüm lazerler yarı iletken lazerlerdir, sadece 1310 nanometre veya 1550 nanometre LD pompalı katı hal lazerleri kullanan az sayıda CATV sistemi vardır.

İletişimde kullanılan lazerler temel olarak iki türdür: fiber optik yükselticilerde kullanılan pompa ışık kaynakları ve vericilerde kullanılan sinyal ışık kaynakları.

Serbest Uzay Optiği (FSO) iletişiminde kullanılan lazerler iki tipte mevcuttur: 850nm ve 1550nm.

VII. Lazer Menzili

Uzunluk, mesafe, hız ve açı ölçümü gibi yüksek hassasiyetli ölçümler ve denetimler elde etmek için lazerlerin monokromatikliğinden, güçlü tutarlılığından ve yönlülüğünden yararlanın.

VIII. Lazer Kaynağı

IX. Lazer Hızlı Prototipleme

X. Lazer Gravür

XI. Lazer Nükleer Füzyon

XII. Lazerle Tıbbi Tedavi

XIII. Lazer İletişimi

Işık dalgalarının frekansı radyo dalgalarınınkinden birkaç kat daha yüksek olduğundan, çok ince bir optik fiber, resimdeki bu kalınlıktaki bir kablonun taşıyabileceğine eşdeğer miktarda bilgi taşıyabilir.

XIV. Lazer Silahları

XV. Lazer Ekran