Arbeidsprinsipp og bruk av solid-state laser

Solid laserer en laser som bruker solid lasermateriale som arbeidsstoff. Rubinlaseren oppfunnet av TH Maiman i 1960 var en solid-state laser og verdens første laser. Solide lasere består vanligvis av laserarbeidsmateriale, eksitasjonskilde, fokuseringshulrom, resonanshulromsreflektor og strømforsyning.

Det solide arbeidsmaterialet som brukes i denne typen laser er laget ved å dope metallioner som kan produsere stimulert emisjon inn i krystallen. Det er tre hovedtyper av metallioner som kan produsere stimulert emisjon i faste stoffer: (1) overgangsmetallioner (som Cr3 pluss ); (2) de fleste lantanidmetallioner (slik som Nd3 pluss, Sm2 pluss, Dy2 pluss, etc.); (3) aktinium Det er et metallion (som U3 pluss ). Hovedkarakteristikkene til disse metallionene dopet inn i den faste matrisen er: relativt bredt effektivt absorpsjonsspektralbånd, relativt høy fluorescenseffektivitet, relativt lang fluorescenslevetid og relativt smale fluorescensspektrallinjer, slik at de er utsatt for partikkelantallinversjon og stimulert emisjon. De kunstige krystallene som brukes som krystallmatrise inkluderer hovedsakelig: korund (NaAlSi2O6), yttriumaluminiumgranat (Y3Al5, O12), kalsiumwolframat (CaWO4), kalsiumfluorid (CaF2), etc., samt yttriumaluminat (YAlO3), berylliumlantan syre (La2Be2O5), etc. Glasssubstratet som brukes er hovedsakelig høykvalitets optisk silikatglass, slik som vanlig brukt bariumkroneglass og kalsiumkroneglass. Sammenlignet med krystallinske matriser er hovedtrekkene til glassmatriser enkel tilberedning og lett tilgjengelighet av høykvalitetsmaterialer i store størrelser. Hovedkravene til krystaller og glasssubstrater er: enkel inkorporering av selvlysende metallioner for aktivering; gode spektrale egenskaper, optiske transmittansegenskaper og en høy grad av optisk (brytningsindeks) ensartethet; fysiske egenskaper egnet for langsiktig laserdrift og kjemiske egenskaper (som termiske egenskaper, anti-nedbrytningsegenskaper, kjemisk stabilitet, etc.). Krystalllasere er typisk representert av rubin (Al2O3: Cr3 plus ) og neodym-dopet yttrium aluminium granat (forkortet YAG: Nd3 plus). Glasslasere er vanligvis representert av neodymglasslasere.

Solid laserarbeidsmateriale

Arbeidsmaterialet til en faststofflaser er sammensatt av optisk transparent krystall eller glass som et matrisemateriale, dopet med aktiverende ioner eller andre aktiverende stoffer. Dette arbeidsstoffet bør generelt ha gode fysisk-kjemiske egenskaper, smale fluorescensspektrallinjer, sterke og brede absorpsjonsbånd og høy fluorescenskvanteeffektivitet.

Glasslaserarbeidsmaterialer lages enkelt til ensartede materialer i stor størrelse og kan brukes i lasere med høy energi eller høy effekt. Imidlertid er dens fluorescensspekterlinje bredere og dens termiske ytelse er dårlig, noe som gjør den uegnet for arbeid med høy gjennomsnittlig effekt. Vanlige neodymglass inkluderer silikat-, fosfat- og fluorfosfatglass. På begynnelsen av 1980-tallet ble neodymglass med en negativ brytningsindekstemperaturkoeffisient utviklet med suksess, som kan brukes i mellomstore og små energilasere med høye repetisjonshastigheter.

Krystalllaserarbeidsmaterialer har generelt gode termiske og mekaniske egenskaper og smale fluorescensspektrallinjer, men krystallvekstteknologien for å oppnå høykvalitetsmaterialer i stor størrelse er komplisert. Siden 1960-tallet har mer enn 300 typer oksid- og fluorkrystaller dopet med forskjellige sjeldne jordmetaller eller overgangsmetallioner oppnådd laseroscillasjon. Vanlig brukte laserkrystaller inkluderer rubin (Cr:Al2O3, bølgelengde 6943 Ångstrøm), neodym-dopet yttriumaluminiumgranat (Nd:Y3Al5O12, referert til som Nd:YAG, bølgelengde 1,064 mikron), litiumyttriumfluorid (LiYF4; Nd:YLF , bølgelengde 1,047 eller 1,05 mikron; Ho:Er:Tm:YLF, bølgelengde 2,06 mikron), etc.

Siden 1973 har det vært en annen type selvaktiverende laserkrystall. Dens aktiverte ioner er en kjemisk komponent i krystallen, så konsentrasjonen av aktiverte ioner er høy og fluorescensslukking vil ikke forekomme. Denne krystallen har høy laserforsterkning og lav utvinningsterskel. Hovedvariantene inkluderer neodympentafosfat (NdP5O14), litiumneodymtetrafosfat (NdLiP4O12) og neodymaluminiumborat (NdAl3(BO4)3). De dyrkes for det meste etter metoden med smeltet salt og har små krystallstørrelser, slik at de kan brukes i små faststofflasere.

En rekke avstembare laserkrystaller med bredbåndsfluorescensegenskaper er utviklet, for eksempel chrysoberyl med terminal fononovergang (Cr:BeAl2O4, bølgelengde 0.701-0.815 mikron, opererer ved romtemperatur), nikkel- dopet magnesiumfluorid (Ni: MgF2, bølgelengde 1,6~1,8 mikron, arbeider ved lav temperatur), ceriumdopet litiumyttriumfluorid med 5d→4f-overgang (Ce:YLF, bølgelengde 0.306 ~0.315 mikron, eksitert av excimer-laser, arbeider ved romtemperatur) og fargesenteret til alkalihalogenid Laserkrystall (udopet eller dopet kaliumklorid, litiumfluorid, etc., bølgelengde 0,8~3,9 mikron, for det meste arbeider ved lav temperatur).

Solid lasereksitasjonskilde

Solide lasere bruker lys som eksitasjonskilde. Ofte brukte pulseksitasjonskilder inkluderer xenonladede blitslamper; kontinuerlige eksitasjonskilder inkluderer kryptonbuelamper, jodwolframlamper, kaliumrubidiumlamper osv. I små lasere med lang levetid kan halvlederlysemitterende dioder eller sollys brukes som eksitasjonskilder. Noen nye solid-state lasere bruker også lasereksitasjon.

Siden bare en del av emisjonsspekteret til lyskilden absorberes av arbeidsmaterialet, pluss andre tap, er energikonverteringseffektiviteten til faststofflasere ikke høy, vanligvis mellom noen få tusendeler og noen få prosent.

Solide laseregenskaper

Solide lasere kan brukes som koherente lyskilder med høy energi og høy effekt. Utgangsenergien til ruby-pulslaser kan nå kilojoule-nivå. Det Q-svitsjede og flertrinns forsterkede neodymglasslasersystemet har en maksimal pulseffekt på 10 watt. Utgangseffekten til den kontinuerlige granatlaseren av yttriumaluminium kan nå hundrevis av watt, og flertrinns seriekobling kan nå kilowatt.

Solid-state lasere bruker Q-switching-teknologi (modulering av synlig lys) for å oppnå korte pulser som strekker seg fra nanosekunder til hundrevis av nanosekunder, og bruker moduslåseteknologi for å oppnå ultrakorte pulser som strekker seg fra pikosekunder til hundrevis av pikosekunder.

På grunn av optisk inhomogenitet av arbeidsmaterialet og andre årsaker, er utgangen fra generelle solid-state lasere multi-modus. Hvis arbeidsmaterialet med god optisk ensartethet velges og resonanshulrommet er nøye utformet og andre tekniske tiltak tas, kan den fundamentale transversale modus (TEM00) laseren med en stråledivergensvinkel nær diffraksjonsgrensen oppnås , og en enkelt langsgående moduslaser kan også oppnås.

Solid-state laserapplikasjoner og trender

Solid-state lasere har et bredt spekter av bruksområder innen militær, prosessering, medisinsk og vitenskapelig forskningsfelt. Det er ofte brukt i avstandsmåling, sporing, veiledning, boring, skjæring og sveising, gløding av halvledermaterialer, mikroprosessering av elektroniske enheter, atmosfærisk deteksjon, spektroskopisk forskning, kirurgi og oftalmisk kirurgi, plasmadiagnose, pulsholografi og laserfusjon, etc. ... Solid-state lasere brukes også som eksitasjonskilder for avstembare fargelasere.

Utviklingstrenden for solid-state lasere er diversifisering av materialer og enheter, inkludert søk etter nye bølgelengder og nye arbeidsmaterialer med justerbare driftsbølgelengder, forbedring av konverteringseffektiviteten til laseren, økning av utgangseffekten, forbedring av strålekvaliteten, komprimering pulsbredden, forbedret pålitelighet og utvidet arbeidsliv.

Kontaktinformasjon:

Hvis du har noen ideer, snakk gjerne med oss. Uansett hvor kundene våre er og hvilke krav vi har, vil vi følge vårt mål om å gi våre kunder høy kvalitet, lave priser og den beste servicen.