اصل کار و کاربرد لیزر حالت جامد

لیزر جامدلیزری است که از مواد لیزر جامد به عنوان ماده کار استفاده می کند. لیزر یاقوتی که در سال 1960 توسط TH Maiman اختراع شد یک لیزر حالت جامد و اولین لیزر جهان بود. لیزرهای جامد معمولاً از مواد کار لیزر، منبع تحریک، حفره متمرکز، بازتابنده حفره تشدید و منبع تغذیه تشکیل شده‌اند.

مواد کار جامد مورد استفاده در این نوع لیزر با دوپینگ یون‌های فلزی ساخته می‌شوند که می‌توانند انتشار تحریک‌شده به کریستال ایجاد کنند. سه نوع اصلی از یون های فلزی وجود دارد که می توانند انتشار تحریکی در جامدات ایجاد کنند: (1) یون های فلزی واسطه (مانند Cr3 plus). (2) بیشتر یون های فلزی لانتانید (مانند Nd3 plus، Sm2 plus، Dy2 plus، و غیره)؛ (3) اکتینیم یک یون فلزی است (مانند U3 plus). ویژگی های اصلی این یون های فلزی دوپ شده به ماتریس جامد عبارتند از: باند طیفی جذب موثر نسبتاً گسترده، راندمان فلورسانس نسبتاً بالا، طول عمر نسبتاً طولانی فلورسانس و خطوط طیفی فلورسانس نسبتاً باریک، بنابراین مستعد وارونگی تعداد ذرات و انتشار تحریک شده هستند. کریستال های مصنوعی مورد استفاده به عنوان ماتریس کریستال عمدتاً عبارتند از: کوراندوم (NaAlSi2O6)، گارنت آلومینیوم ایتریم (Y3Al5, O12)، تنگستات کلسیم (CaWO4)، فلوراید کلسیم (CaF2) و غیره، و همچنین آلومینات ایتریم برهانیم (YAlOl) اسید (La2Be2O5) و غیره. زیرلایه شیشه ای مورد استفاده عمدتاً شیشه نوری سیلیکات با کیفیت بالا است، مانند شیشه تاج باریم و شیشه تاج کلسیمی. در مقایسه با ماتریس های کریستالی، ویژگی های اصلی ماتریس های شیشه ای سهولت در آماده سازی و دسترسی آسان به مواد با کیفیت بالا در اندازه های بزرگ است. الزامات اصلی برای کریستال ها و زیرلایه های شیشه ای عبارتند از: ادغام آسان یون های فلزی درخشان برای فعال سازی. ویژگی های طیفی خوب، ویژگی های عبور نوری و درجه بالایی از یکنواختی نوری (ضریب شکست). خواص فیزیکی مناسب برای عملیات لیزر طولانی مدت و خواص شیمیایی (مانند خواص حرارتی، خواص ضد تخریب، پایداری شیمیایی و غیره). لیزرهای کریستالی معمولاً با یاقوت (Al2O3: Cr3 plus) و گارنت آلومینیوم ایتریم آلاییده شده با نئودیمیم (به اختصار YAG: Nd3 plus) نشان داده می شوند. لیزرهای شیشه ای معمولاً با لیزرهای شیشه ای نئودیمیم نشان داده می شوند.

مواد کار لیزر جامد

ماده کار یک لیزر حالت جامد از کریستال یا شیشه شفاف نوری به عنوان ماده ماتریس تشکیل شده است که با یون های فعال یا سایر مواد فعال کننده دوپ شده است. این ماده کار به طور کلی باید دارای خواص فیزیکی-شیمیایی خوب، خطوط طیفی فلورسانس باریک، باندهای جذب قوی و وسیع و راندمان کوانتومی فلورسانس بالا باشد.

مواد لیزر شیشه ای به راحتی به مواد یکنواخت با اندازه بزرگ تبدیل می شوند و می توان از آنها در لیزرهای پرانرژی یا پرقدرت استفاده کرد. با این حال، خط طیف فلورسانس آن گسترده تر است و عملکرد حرارتی آن ضعیف است، که آن را برای کار با توان متوسط ​​بالا نامناسب می کند. شیشه های نئودیمیوم رایج شامل شیشه های سیلیکات، فسفات و فلوروفسفات است. در اوایل دهه 1980، شیشه نئودیمیم با ضریب دمایی ضریب شکست منفی با موفقیت توسعه یافت که می تواند در لیزرهای انرژی متوسط ​​و کوچک با نرخ تکرار بالا استفاده شود.

مواد کار لیزر کریستال عموماً دارای خواص حرارتی و مکانیکی خوب و خطوط طیفی فلورسانس باریک هستند، اما فناوری رشد کریستال برای به دست آوردن مواد با اندازه بزرگ با کیفیت بالا پیچیده است. از دهه 1960، بیش از 300 نوع کریستال اکسید و فلوراید که با فلزات مختلف خاکی کمیاب یا یون های فلزات واسطه دوپ شده اند، به نوسان لیزری دست یافته اند. کریستال های لیزری رایج شامل یاقوت (Cr:Al2O3، طول موج 6943 آنگستروم)، گارنت آلومینیوم ایتریوم دوپ شده با نئودیمیم (Nd:Y3Al5O12، به نام Nd:YAG، طول موج 1.064 میکرون)، لیتیوم فلوئورید (YFYL) Nd:YLF، طول موج 1.047 یا 1.05 میکرون؛ Ho:Er:Tm:YLF، طول موج 2.06 میکرون) و غیره.

از سال 1973، نوع دیگری از کریستال لیزری خود فعال کننده وجود داشته است. یون‌های فعال آن جزء شیمیایی کریستال هستند، بنابراین غلظت یون‌های فعال بالاست و خاموش شدن فلورسانس رخ نخواهد داد. این کریستال دارای بهره لیزری بالا و آستانه استخراج پایین است. انواع اصلی شامل پنتا فسفات نئودیمیم (NdP5O14)، لیتیوم نئودیمیم تترافسفات (NdLiP4O12) و نئودیمیم بورات آلومینیوم (NdAl3(BO4)3) می باشد. آنها بیشتر به روش نمک مذاب رشد می کنند و دارای اندازه های کریستالی کوچک هستند، بنابراین می توان از آنها در لیزرهای کوچک حالت جامد استفاده کرد.

انواعی از کریستال‌های لیزر قابل تنظیم با ویژگی‌های فلورسانس باند پهن ساخته شده‌اند، مانند کریزوبریل با انتقال فونون پایانی (Cr:BeAl2O4، طول موج 0.701-0.815 میکرون، کارکرد در دمای اتاق)، نیکل- فلوراید منیزیم دوپ شده (Ni: MgF2، طول موج 1.6~1.8 میکرون، کار در دمای پایین)، لیتیوم ایتریم فلوراید دوپ شده با سریم با انتقال 5d→4f (Ce:YLF، طول موج 0}.3{16}}6 ~0.315 میکرون، تحریک شده توسط لیزر اگزایمر، کار در دمای اتاق) و مرکز رنگ کریستال لیزری هالید قلیایی (کلرید پتاسیم بدون دوپ یا دوپ نشده، فلوراید لیتیوم و غیره، طول موج 0.8 تا 3.9 میکرون، عمدتاً کار می‌کند. در دمای پایین).

منبع تحریک لیزر جامد

لیزرهای جامد از نور به عنوان منبع تحریک استفاده می کنند. منابع تحریک پالس معمولاً مورد استفاده شامل لامپ های فلاش شارژ شده زنون هستند. منابع تحریک مداوم شامل لامپ‌های قوس کریپتون، لامپ‌های تنگستن ید، لامپ‌های روبیدیم پتاسیم و غیره است. در لیزرهای کوچک با عمر طولانی، می‌توان از دیودهای ساطع نور نیمه‌رسانا یا نور خورشید به عنوان منابع تحریک استفاده کرد. برخی از لیزرهای جدید حالت جامد نیز از تحریک لیزری استفاده می کنند.

از آنجایی که تنها بخشی از طیف انتشار منبع نور توسط مواد کار جذب می شود، به علاوه سایر تلفات، راندمان تبدیل انرژی لیزرهای حالت جامد بالا نیست، معمولاً بین چند هزارم تا چند درصد.

ویژگی های لیزر جامد

لیزرهای جامد را می توان به عنوان منابع نور منسجم با انرژی و توان بالا استفاده کرد. انرژی خروجی لیزر پالس یاقوت می تواند به سطح کیلوژول برسد. سیستم لیزر شیشه ای نئودیمیوم تقویت شده با سوئیچ Q و چند مرحله ای دارای حداکثر توان پالس 10 وات است. توان خروجی لیزر پیوسته گارنت آلومینیوم ایتریوم می تواند به صدها وات برسد و اتصال سری چند مرحله ای می تواند به کیلووات برسد.

لیزرهای حالت جامد از فناوری سوئیچینگ Q (مدولاسیون نور مرئی) برای به دست آوردن پالس های کوتاه از نانوثانیه تا صدها نانوثانیه استفاده می کنند و از فناوری حالت قفل برای به دست آوردن پالس های فوق کوتاه از پیکوثانیه تا صدها پیکوثانیه استفاده می کنند.

به دلیل ناهمگنی نوری مواد کار و دلایل دیگر، خروجی لیزرهای حالت جامد عمومی چند حالته است. اگر ماده کاری با یکنواختی نوری خوب انتخاب شود و حفره تشدید به دقت طراحی شود و سایر اقدامات فنی انجام شود، می توان لیزر حالت عرضی بنیادی (TEM{2}}) با زاویه واگرایی پرتو نزدیک به حد پراش را بدست آورد. ، و یک لیزر تک حالت طولی نیز می توان به دست آورد.

کاربردها و روندهای لیزر حالت جامد

لیزرهای حالت جامد کاربردهای گسترده ای در زمینه های نظامی، پردازشی، پزشکی و تحقیقات علمی دارند. معمولاً در محدوده، ردیابی، هدایت، حفاری، برش و جوشکاری، بازپخت مواد نیمه هادی، ریز پردازش دستگاه های الکترونیکی، تشخیص جو، تحقیقات طیف سنجی، جراحی و جراحی چشم، تشخیص پلاسما، هولوگرافی پالس و همجوشی لیزری و غیره استفاده می شود. . . لیزرهای حالت جامد نیز به عنوان منبع تحریک برای لیزرهای رنگی قابل تنظیم استفاده می شوند.

روند توسعه لیزرهای حالت جامد متنوع سازی مواد و دستگاه ها از جمله جستجوی طول موج های جدید و مواد کاری جدید با طول موج های عملیاتی قابل تنظیم، بهبود راندمان تبدیل لیزر، افزایش توان خروجی، بهبود کیفیت پرتو، فشرده سازی است. عرض پالس، بهبود قابلیت اطمینان و عمر کاری طولانی تر.

اطلاعات تماس:

اگر ایده ای دارید، در صورت تمایل با ما صحبت کنید. مهم نیست که مشتریان ما کجا هستند و نیازهای ما چیست، ما هدف خود را دنبال خواهیم کرد تا با کیفیت بالا، قیمت پایین و بهترین خدمات به مشتریان خود ارائه دهیم.