Puolijohdelaserin toimintaperiaate ja käyttö

Kiinteä laseron laser, joka käyttää kiinteää lasermateriaalia työaineena. TH Maimanin vuonna 1960 keksimä rubiinilaser oli solid-state laser ja maailman ensimmäinen laser. Kiinteät laserit koostuvat yleensä lasertyömateriaalista, virityslähteestä, tarkennusontelosta, resonanssionteloheijastimesta ja virtalähteestä.

Tämän tyyppisissä lasereissa käytetty kiinteä työstömateriaali on valmistettu seostamalla metalli-ioneja, jotka voivat tuottaa stimuloitua säteilyä kiteen. On olemassa kolme päätyyppiä metalli-ioneja, jotka voivat tuottaa stimuloituja emissioita kiinteissä aineissa: (1) siirtymämetalli-ionit (kuten Cr3 plus); (2) useimmat lantanidimetalli-ionit (kuten Nd3 plus, Sm2 plus, Dy2 plus jne.); (3) aktinium Se on metalli-ioni (kuten U3 plus). Näiden kiinteään matriisiin seostettujen metalli-ionien pääominaisuudet ovat: suhteellisen leveä tehollinen absorptiospektrikaista, suhteellisen korkea fluoresenssin tehokkuus, suhteellisen pitkä fluoresenssin elinikä ja suhteellisen kapeat fluoresenssispektriviivat, joten ne ovat alttiita hiukkasten lukumäärän inversiolle ja stimuloidulle emissiolle. Kidematriisina käytettyjä keinotekoisia kiteitä ovat pääasiassa: korundi (NaAlSi2O6), yttrium-alumiinigranaatti (Y3Al5, O12), kalsiumvolframaatti (CaWO4), kalsiumfluoridi (CaF2) jne. sekä yttrium-aluminaatti (YAlO3), berylliumlantaani happo (La2Be2O5) jne. Lasisubstraattina käytetään pääasiassa korkealaatuista optista silikaattilasia, kuten yleisesti käytettyä bariumkruunulasia ja kalsiumkruunulasia. Kiteisiin matriiseihin verrattuna lasimatriisien pääpiirteet ovat valmistuksen helppous ja korkealaatuisten materiaalien helppo saatavuus suurissa koossa. Tärkeimmät vaatimukset kiteille ja lasisubstraateille ovat: luminoivien metalli-ionien helppo sisällyttää aktivointiin; hyvät spektriominaisuudet, optiset läpäisyominaisuudet ja korkea optinen (taitekerroin) tasaisuus; fysikaaliset ominaisuudet, jotka sopivat pitkäaikaiseen laserkäyttöön ja kemialliset ominaisuudet (kuten lämpöominaisuudet, hajoamisenesto-ominaisuudet, kemiallinen stabiilius jne.). Kristallilasereita edustavat tyypillisesti rubiini (Al2O3: Cr3 plus) ja neodyymi-seostettu yttrium-alumiinigranaatti (lyhenne YAG: Nd3 plus). Lasilasereita edustavat tyypillisesti neodyymilasilaserit.

Kiinteä lasertyöstömateriaali

Solid-state-laserin työmateriaali koostuu optisesti läpinäkyvästä kiteestä tai lasista matriisimateriaalina, joka on seostettu aktivoivilla ioneilla tai muilla aktivoivilla aineilla. Tällä työaineella tulisi yleensä olla hyvät fysikaalis-kemialliset ominaisuudet, kapeat fluoresenssispektriviivat, vahvat ja leveät absorptiokaistat ja korkea fluoresenssin kvanttitehokkuus.

Laserlasertyömateriaaleista valmistetaan helposti yhtenäisiä suurikokoisia materiaaleja, ja niitä voidaan käyttää korkeaenergisissa tai suuritehoisissa lasereissa. Sen fluoresenssispektriviiva on kuitenkin leveämpi ja sen lämpösuorituskyky huono, joten se ei sovellu työskentelyyn suurella keskimääräisellä teholla. Yleisiä neodyymilaseja ovat silikaatti-, fosfaatti- ja fluorofosfaattilasit. 1980-luvun alussa kehitettiin menestyksekkäästi neodyymilasi, jolla on negatiivinen taitekerroin lämpötilakerroin, jota voidaan käyttää keski- ja pienienergiaisissa lasereissa, joissa on suuri toistonopeus.

Kristallilasertyömateriaaleilla on yleensä hyvät lämpö- ja mekaaniset ominaisuudet ja kapeat fluoresenssispektriviivat, mutta kiteenkasvatustekniikka korkealaatuisten suurikokoisten materiaalien saamiseksi on monimutkaista. 1960-luvulta lähtien yli 300 eri harvinaisilla maametalleilla tai siirtymämetalli-ioneilla seostettuja oksidi- ja fluoridikiteitä on saavuttanut laservärähtelyn. Yleisesti käytettyjä laserkiteitä ovat rubiini (Cr:Al2O3, aallonpituus 6943 Angströmiä), neodyymi-seostettu yttrium-alumiinigranaatti (Nd:Y3Al5O12, kutsutaan nimellä Nd:YAG, aallonpituus 1,064 mikronia), litium-yttriumfluoridi (LiYF4F, asYFL; Nd:YLF, aallonpituus 1,047 tai 1,05 mikronia; Ho:Er:Tm:YLF, aallonpituus 2,06 mikronia) jne.

Vuodesta 1973 lähtien on ollut toisenlainen itseaktivoituva laserkide. Sen aktivoidut ionit ovat kiteen kemiallinen komponentti, joten aktivoitujen ionien pitoisuus on korkea eikä fluoresenssin sammumista tapahdu. Tällä kiteellä on korkea laservahvistus ja alhainen uuttokynnys. Päälajikkeita ovat neodyymipentafosfaatti (NdP5O14), litiumneodyymitetrafosfaatti (NdLiP4O12) ja neodyymialumiiniboraatti (NdAl3(BO4)3). Niitä kasvatetaan enimmäkseen sulasuolamenetelmällä ja niiden kidekoko on pieni, joten niitä voidaan käyttää pienissä solid-state lasereissa.

On kehitetty erilaisia ​​viritettäviä laserkiteitä, joilla on laajakaistaiset fluoresenssiominaisuudet, kuten krysoberyyli, jossa on terminaalinen fononimuutos (Cr:BeAl2O4, aallonpituus 0.701-0.815 mikronia, toimii huoneenlämpötilassa), nikkeli- seostettu magnesiumfluoridi (Ni: MgF2, aallonpituus 1,6-1,8 mikronia, toimii alhaisessa lämpötilassa), seriumilla seostettu litium-yttriumfluoridi 5d→4f-siirtymällä (Ce:YLF, aallonpituus 0.306 ~0.315 mikronia, viritetty eksimeerilaserilla, toimii huoneenlämmössä) ja alkalihalogenidin värikeskus Laserkide (seostettu tai seostettu kaliumkloridi, litiumfluoridi jne., aallonpituus 0,8-3,9 mikronia, enimmäkseen toimiva alhaisessa lämpötilassa).

Kiinteä laservirityslähde

Kiinteät laserit käyttävät valoa virityslähteenä. Yleisesti käytettyjä pulssiherätyslähteitä ovat ksenonilla ladatut salamalamput; jatkuvia virityslähteitä ovat kryptonikaarilamput, jodivolframilamput, kaliumrubidiumlamput jne. Pienissä pitkäikäisissä lasereissa virityslähteinä voidaan käyttää puolijohdevalodiodeja tai auringonvaloa. Jotkut uudet solid-state-laserit käyttävät myös laserviritystä.

Koska työmateriaali absorboi vain osan valonlähteen emissiospektristä sekä muita häviöitä, solid-state lasereiden energian muunnostehokkuus ei ole korkea, yleensä muutaman tuhannesosan ja muutaman prosentin välillä.

Kiinteän laserin ominaisuudet

Kiinteitä lasereita voidaan käyttää suurienergisinä ja suuritehoisina koherentteina valonlähteinä. Rubiinipulssilaserin lähtöenergia voi saavuttaa kilojouletason. Q-kytketyn ja monivaiheisen vahvistetun neodyymilasilaserjärjestelmän maksimipulssiteho on 10 wattia. Yttrium-alumiinigranaattisen jatkuvan laserin lähtöteho voi nousta satoihin watteihin, ja monivaiheisen sarjaliitännän teho voi olla kilowattia.

Solid-state laserit käyttävät Q-kytkentätekniikkaa (näkyvän valon modulaatio) saadakseen lyhyitä pulsseja, jotka vaihtelevat nanosekunneista satoihin nanosekunteihin, ja käyttävät tilalukitustekniikkaa saadakseen ultralyhyitä pulsseja, jotka vaihtelevat pikosekunneista satoihin pikosekunteihin.

Työmateriaalin optisesta epähomogeenisuudesta ja muista syistä johtuen yleisten solid-state-laserien lähtö on monimuotoista. Jos valitaan työstettävä materiaali, jolla on hyvä optinen tasaisuus ja resonanssiontelo suunnitellaan huolellisesti ja tehdään muita teknisiä toimenpiteitä, voidaan saada perustransversaalimuotoinen (TEM00) laser, jonka säteen hajaantumiskulma on lähellä diffraktiorajaa. , ja voidaan saada myös yksi pituussuuntainen laser.

Puolijohdelasersovellukset ja -trendit

Solid-state-lasereilla on laaja käyttöalue sotilas-, prosessointi-, lääketieteen ja tieteellisen tutkimuksen aloilla. Sitä käytetään yleisesti mittaamisessa, seurannassa, ohjauksessa, porauksessa, leikkauksessa ja hitsauksessa, puolijohdemateriaalien hehkutuksessa, elektronisten laitteiden mikroprosessoinnissa, ilmakehän havaitsemisessa, spektroskooppisessa tutkimuksessa, kirurgiassa ja silmäkirurgiassa, plasmadiagnoosissa, pulssiholografiassa ja laserfuusiossa jne. . Solid-state lasereita käytetään myös virityslähteinä viritettäville värilasereille.

Solid-state lasereiden kehitystrendi on materiaalien ja laitteiden monipuolistaminen, mukaan lukien uusien aallonpituuksien ja uusien työstömateriaalien etsiminen viritettävällä toiminta-aallonpituudella, laserin muunnostehokkuuden parantaminen, lähtötehon lisääminen, säteen laadun parantaminen, kompressointi pulssin leveys, parantaa luotettavuutta ja pidentää käyttöikää.

Yhteystiedot:

Jos sinulla on ideoita, ota rohkeasti yhteyttä. Riippumatta siitä, missä asiakkaamme ovat ja mitkä ovat vaatimuksemme, noudatamme tavoitettamme tarjota asiakkaillemme korkeaa laatua, edullisia hintoja ja parasta palvelua.