Principi de funcionament i aplicació del làser d'estat sòlid

Làser sòlidés un làser que utilitza material làser sòlid com a substància de treball. El làser robí inventat per TH Maiman l'any 1960 va ser un làser d'estat sòlid i el primer làser del món. Els làsers sòlids consisteixen generalment en material de treball làser, font d'excitació, cavitat d'enfocament, reflector de cavitat ressonant i font d'alimentació.

El material de treball sòlid utilitzat en aquest tipus de làser es fa dopant ions metàl·lics que poden produir una emissió estimulada al cristall. Hi ha tres tipus principals d'ions metàl·lics que poden produir emissió estimulada en sòlids: (1) ions de metalls de transició (com ara Cr3+); (2) la majoria dels ions metàl·lics de lantànids (com ara Nd3+, Sm2+, Dy2+, etc.); (3) actini És un ió metàl·lic (com ara U3+). Les característiques principals d'aquests ions metàl·lics dopats a la matriu sòlida són: una banda espectral d'absorció efectiva relativament àmplia, una eficiència de fluorescència relativament alta, una vida útil de fluorescència relativament llarga i línies espectrals de fluorescència relativament estretes, de manera que són propensos a la inversió del nombre de partícules i l'emissió estimulada. Els cristalls artificials utilitzats com a matriu de cristalls inclouen principalment: corindó (NaAlSi2O6), granat d'itri d'alumini (Y3Al5, O12), tungstat de calci (CaWO4), fluorur de calci (CaF2), etc., així com aluminat d'itri (YAlO3), lantà de beril·li àcid (La2Be2O5), etc. El substrat de vidre utilitzat és principalment vidre òptic de silicat d'alta qualitat, com el vidre de corona de bari d'ús habitual i el vidre de corona de calci. En comparació amb les matrius cristal·lines, les principals característiques de les matrius de vidre són la facilitat de preparació i la fàcil disponibilitat de materials d'alta qualitat en grans mides. Els principals requisits per als cristalls i substrats de vidre són: fàcil incorporació d'ions metàl·lics luminescents per a l'activació; bones característiques espectrals, característiques de transmitància òptica i un alt grau d'uniformitat òptica (índex de refracció); propietats físiques adequades per a l'operació làser a llarg termini i propietats químiques (com ara propietats tèrmiques, propietats anti-degradació, estabilitat química, etc.). Els làsers de cristall solen estar representats per robí (Al2O3: Cr3+) i granat d'itri d'alumini dopat amb neodimi (abreujat com a YAG: Nd3+). Els làsers de vidre solen estar representats per làsers de vidre de neodimi.

Material de treball làser sòlid

El material de treball d'un làser d'estat sòlid es compon de cristall o vidre òpticament transparent com a material de matriu, dopat amb ions activadors o altres substàncies activadores. Aquesta substància de treball generalment hauria de tenir bones propietats físico-químiques, línies espectrals de fluorescència estretes, bandes d'absorció fortes i àmplies i una alta eficiència quàntica de fluorescència.

Els materials de treball làser de vidre es transformen fàcilment en materials uniformes de gran mida i es poden utilitzar en làsers d'alta energia o d'alta potència pic. No obstant això, la seva línia d'espectre de fluorescència és més àmplia i el seu rendiment tèrmic és pobre, el que el fa inadequat per treballar amb una potència mitjana elevada. Les ulleres de neodimi habituals inclouen vidres de silicat, fosfat i fluorofosfat. A principis de la dècada de 1980, es va desenvolupar amb èxit el vidre de neodimi amb un coeficient de temperatura d'índex de refracció negatiu, que es pot utilitzar en làsers d'energia mitjana i petita amb altes taxes de repetició.

Els materials de treball làser de cristall generalment tenen bones propietats tèrmiques i mecàniques i línies espectrals de fluorescència estretes, però la tecnologia de creixement de cristalls per obtenir materials de gran mida d'alta qualitat és complicada. Des de la dècada de 1960, més de 300 tipus de cristalls d'òxid i fluorur dopats amb diversos metalls de terres rares o ions de metalls de transició han aconseguit oscil·lació làser. Els cristalls làser utilitzats habitualment inclouen robí (Cr:Al2O3, longitud d'ona 6943 Angstroms), granat d'itri d'alumini dopat amb neodimi (Nd:Y3Al5O12, anomenat Nd:YAG, longitud d'ona 1,064 micres), fluorur d'itri de liti (anomenat YLF4); Nd:YLF, longitud d'ona 1,047 o 1,05 micres; Ho:Er:Tm:YLF, longitud d'ona 2,06 micres), etc.

Des de 1973, hi ha un altre tipus de cristall làser autoactivable. Els seus ions activats són un component químic del cristall, de manera que la concentració d'ions activats és alta i no es produirà l'extinció de la fluorescència. Aquest cristall té un gran guany làser i un llindar d'extracció baix. Les varietats principals inclouen pentafosfat de neodimi (NdP5O14), tetrafosfat de neodimi de liti (NdLiP4O12) i borat d'alumini de neodimi (NdAl3(BO4)3). Es cultiven majoritàriament pel mètode de la sal fosa i tenen mides de cristall petites, de manera que es poden utilitzar en làsers d'estat sòlid petits.

S'han desenvolupat una varietat de cristalls làser sintonitzables amb característiques de fluorescència de banda ampla, com el crisoberil amb transició de fonons terminals (Cr:BeAl2O4, longitud d'ona 0.701-0.815 micres, operant a temperatura ambient), níquel- fluorur de magnesi dopat (Ni: MgF2, longitud d'ona 1,6 ~ 1,8 micres, treballant a baixa temperatura), fluorur d'itri de liti dopat amb ceri amb transició 5d→4f (Ce:YLF, longitud d'ona 0,306 ~0.315 micres, excitat per làser excímer, treballant a temperatura ambient) i el centre de color de l'halogenur alcalí Cristall làser (clorur de potassi no dopat o dopat, fluorur de liti, etc., longitud d'ona 0,8 ~ 3,9 micres, majoritàriament funcionant a baixa temperatura).

Font d'excitació làser sòlida

Els làsers sòlids utilitzen la llum com a font d'excitació. Les fonts d'excitació de pols que s'utilitzen habitualment inclouen llums de flaix carregades de xenó; Les fonts d'excitació contínua inclouen làmpades d'arc de criptó, làmpades de tungstè iode, làmpades de rubidi potassi, etc. En làsers petits de llarga vida, es poden utilitzar díodes emissors de llum semiconductors o la llum solar com a fonts d'excitació. Alguns nous làsers d'estat sòlid també utilitzen excitació làser.

Com que només una part de l'espectre d'emissió de la font de llum és absorbida pel material de treball, a més d'altres pèrdues, l'eficiència de conversió d'energia dels làsers d'estat sòlid no és alta, generalment entre unes mil·lèsimes i uns quants percentatges.

Característiques del làser sòlid

Els làsers sòlids es poden utilitzar com a fonts de llum coherents d'alta energia i alta potència. L'energia de sortida del làser de pols de rubí pot assolir el nivell de kilojoules. El sistema làser de vidre de neodimi amplificat amb Q-switched i multietapa té una potència màxima de pols de 10 watts. La potència de sortida del làser continu d'itri d'alumini granat pot arribar a centenars de watts i la connexió en sèrie de diverses etapes pot arribar a quilowatts.

Els làsers d'estat sòlid utilitzen la tecnologia de commutació Q (modulació de la llum visible) per obtenir polsos curts que van des de nanosegons fins a centenars de nanosegons, i utilitzen la tecnologia de bloqueig de modes per obtenir polsos ultra curts que van des de picoseguons fins a centenars de picoseguons.

A causa de la falta d'homogeneïtat òptica del material de treball i altres motius, la sortida dels làsers d'estat sòlid general és multimode. Si es selecciona el material de treball amb una bona uniformitat òptica i es dissenya acuradament la cavitat ressonant i es prenen altres mesures tècniques, es pot obtenir el làser de mode transversal fonamental (TEM00) amb un angle de divergència del feix proper al límit de difracció. , i també es pot obtenir un làser de mode longitudinal únic.

Aplicacions i tendències del làser d'estat sòlid

Els làsers d'estat sòlid tenen una àmplia gamma d'usos en camps de recerca militar, de processament, mèdica i científica. S'utilitza habitualment en el rang, el seguiment, l'orientació, la perforació, el tall i la soldadura, el recuit de materials semiconductors, el microprocessament de dispositius electrònics, la detecció atmosfèrica, la investigació espectroscòpica, la cirurgia i la cirurgia oftàlmica, el diagnòstic de plasma, l'holografia de pols i la fusió làser, etc. . . Els làsers d'estat sòlid també s'utilitzen com a fonts d'excitació per als làsers de colorants sintonitzables.

La tendència de desenvolupament dels làsers d'estat sòlid és la diversificació de materials i dispositius, inclosa la recerca de noves longituds d'ona i nous materials de treball amb longituds d'ona de funcionament ajustables, millorant l'eficiència de conversió del làser, augmentant la potència de sortida, millorant la qualitat del feix, comprimint l'amplada del pols, millora la fiabilitat i la vida útil ampliada.

Informació de contacte:

Si teniu alguna idea, no dubteu a parlar amb nosaltres. Independentment d'on siguin els nostres clients i quins siguin els nostres requisits, seguirem el nostre objectiu d'oferir als nostres clients alta qualitat, preus baixos i el millor servei.