Die Lasertechnologie ist in den Alltag der modernen Welt integriert. Verschiedene Arten von Lasergeneratoren funktionieren bei unterschiedlichen Wellenlängen, weisen unterschiedliche Eigenschaften auf und werden daher für unterschiedliche Zwecke verwendet.
Abhängig vom verwendeten Medium werden Lasergeneratoren in sechs Typen unterteilt: Festkörper-, Gas-, Farbstoff-, Dioden-, Faser- und Freie-Elektronen-Lasergeneratoren. Darunter gibt es viele Unterteilungen von Festkörper- und Gaslasern. Mit Ausnahme von Freie-Elektronen-Lasern basieren die meisten Methoden zur Lasererzeugung auf demselben Mechanismus, der auf Komponenten wie Pumpquelle, optischem Resonator und Verstärkungsmedium basiert.
Dieser Artikel führt Sie durch die gängigsten Arten von Lasergeneratoren, ihre Funktionen und ihre Anwendungen.
Festkörperlasergenerator
Bei Festkörperlasergeneratoren wird im Allgemeinen Licht als Pumpquelle verwendet, und Kristall oder Glas werden zur Erzeugung von Laserlicht verwendet. Das Material besteht aus einer Matrix und einem aktivierten Ion. Das Matrixmaterial bietet eine Umgebung für das aktivierte Ion zur Lasererzeugung. Häufig verwendete aktivierte Ionen sind hauptsächlich Übergangsmetallionen wie Chrom-, Kobalt- und Nickelionen sowie Seltenerdmetallionen wie Neodymionen. Die mit dielektrischen Filmen beschichteten Spiegel werden als Resonatorspiegel verwendet, darunter ein Vollspiegel und ein Halbspiegel. Durch eine Kombination verschiedener aktivierter Ionen und Matrixmaterialien sowie Wellenlängen der Lichtanregung werden Laser verschiedener Wellenlängen emittiert.
Die vom Rubinlasergenerator ausgegebene Laserwellenlänge beträgt 694.3 nm und die photoelektrische Umwandlungsrate beträgt nur 0.1 %. Die Leuchtstofflebensdauer ist jedoch lang, was die Energiespeicherung begünstigt, und es kann eine hohe Impulsspitzenleistung abgeben. Der von einem Rubinstab mit der Dicke eines Stiftkerns und einem langen Strahl erzeugte Laser kann leicht ein Eisenblech durchdringen. Vor dem Aufkommen effizienterer YAG-Lasersysteme wurden Rubinlasersysteme häufig zum Schneiden und Bohren eingesetzt. Darüber hinaus wird 694-nm-Licht leicht von Melanin absorbiert, sodass Rubinlaser auch bei der Behandlung pigmentierter Läsionen (Hautflecken) eingesetzt werden.
Der Ti:Saphir-Lasergenerator verfügt über einen breiten einstellbaren Wellenlängenbereich von 660 nm bis 1200 nm. Bei Verwendung der Frequenzverdopplungstechnologie (die die Lichtfrequenz verdoppeln, d. h. die Wellenlänge halbieren kann) kann der Wellenlängenbereich auf 330 nm bis 600 nm erweitert werden. Titan-Saphir-Lasersysteme werden in der Femtosekundenspektroskopie, der nichtlinearen Optikforschung, der Erzeugung von weißem Licht, der Erzeugung von Terahertzwellen usw. eingesetzt und finden auch Anwendungen in der medizinischen Schönheitspflege.
YAG ist die Abkürzung für Yttrium-Aluminium-Granat, die derzeit hervorragendste Laserkristallmatrix. Nach der Dotierung mit Neodym (Nd) kann es Licht mit einer Wellenlänge von 1064 nm abgeben und die maximale Dauerausgangsleistung kann 1000 W erreichen. In den Anfängen wurde eine Inertgas-Blitzlampe als Pumpquelle verwendet, aber die Blitzlampen-Pumpmethode weist einen breiten Spektralbereich, eine schlechte Übereinstimmung mit dem Absorptionsspektrum des Verstärkungsmediums und eine große thermische Belastung auf, was zu einer niedrigen Temperatur führt photoelektrischer Umwandlungssatz. Durch das Pumpen mit Laserdioden (LD) kann das System Laserlicht mit hoher Effizienz, hoher Leistung und langer Lebensdauer erzeugen.
Nd:YAG-Lasergeneratoren können bei der Behandlung von Hämangiomen eingesetzt werden und das Tumorwachstum hemmen. Allerdings ist die thermische Schädigung des Gewebes nicht selektiv. Während die Blutgefäße des Tumors koaguliert werden, schädigt die überschüssige Energie auch das umgebende normale Gewebe, und nach der Operation können leicht Narben zurückbleiben. Daher wird der Nd:YAG-Laser hauptsächlich in der Chirurgie, Gynäkologie, HNO und weniger in der Dermatologie eingesetzt.
Yb:YAG, Ytterbium (Yb) ist in YAG dotiert, das Licht mit 1030 nm emittieren kann. Die Pumpwellenlänge von Yb:YAG beträgt 941 nm, was sehr nahe an der Ausgangswellenlänge liegt, wodurch eine Pumpquanteneffizienz von 91.4 % erreicht werden kann. Das bedeutet, dass der Großteil der zugeführten Energie in Ausgangsenergie umgewandelt wird, während nur ein kleiner Teil der Energie in Wärme umgewandelt wird. Die von der Pumpe erzeugte Wärme wird auf 10 % reduziert, ein relativ geringer Prozentsatz im Vergleich zu Nd:YAG, bei dem 25 bis 30 % der Energie in Form von Wärme verloren gehen. Yb:YAG hat sich zu einem der attraktivsten Festkörperlasermedien entwickelt, und LD-gepumpte Hochleistungs-Yb:YAG-Festkörperlasergeneratoren haben sich zu einem neuen Forschungsschwerpunkt mit Potenzial für hocheffiziente Hochleistungsfestkörper entwickelt -Zustandslasergeneratoren.
Zusätzlich zu den beiden oben genannten kann YAG mit Holmium (Ho), Erbium (Er) und vielen anderen Elementen dotiert werden. Ho:YAG produziert augensichere 2097-nm- und 2091-nm-Laser, hauptsächlich für optische Kommunikation, Radar und medizinische Anwendungen. Er:YAG gibt Licht mit einer Wellenlänge von 2.9 μm ab, und der menschliche Körper weist eine hohe Absorptionsrate dieser Wellenlänge auf, so dass es ein großes Potenzial für den Einsatz in der Laserchirurgie und Gefäßchirurgie hat.
Gaslasergenerator
Gaslasergeneratoren sind Lasersysteme, die Gas als Verstärkungsmedium verwenden und im Allgemeinen Gasentladungen pumpen. Zu den Gasarten gehören Atomgase (Helium-Neon, Edelgasionen und Metalldampf), molekulare Gase (Stickstoff und Kohlendioxid) und Excimergas. Sie entstehen im Allgemeinen durch chemische Reaktionen.
Der HeNe-Lasergenerator (HeNe) verwendet eine Mischung aus 75 % oder mehr He und 15 % oder weniger Ne als Verstärkungsmedium. Abhängig von der Arbeitsumgebung kann es grünes (543.5 nm), gelbes (594.1 nm), oranges (612.0 nm), rotes (632.8 nm) und drei Arten von Nahinfrarotlicht (1152 nm, 1523 nm und 3391 nm) aussenden. wobei rotes Licht (632.8 nm) am häufigsten verwendet wird. Der vom HeNe-Lasergenerator ausgegebene Strahl weist eine Gauß-Verteilung auf und die Strahlqualität ist sehr stabil. Obwohl die Leistung nicht hoch ist, weist es im Bereich der Präzisionsmessung eine gute Leistung auf.
Die gängigen Edelgaslasergeneratoren arbeiten mit Argonionen (Ar+) und Kryptonionen (Kr+). Seine Energieumwandlungsrate kann bis zu 0.6 % erreichen, und er kann über einen langen Zeitraum kontinuierlich und stabil eine Leistung von 30–50 W abgeben, und seine Lebensdauer beträgt mehr als 1000 Stunden. Dieser Lasertyp wird hauptsächlich in der Laseranzeige, Raman-Spektroskopie, Holographie, nichtlinearen Optik und anderen Forschungsbereichen sowie in der medizinischen Diagnose, Druckfarbseparation, messtechnischen Materialverarbeitung und Informationsverarbeitung eingesetzt.
Metalldampf-Lasergeneratoren arbeiten mit Metalldampf. Beispielsweise gibt der Kupferdampf-Lasergenerator hauptsächlich grünes Licht (510.5 nm) und gelbes Licht (578.2 nm) ab, die eine durchschnittliche Leistung von 100 W und eine Spitzenleistung von 100 kW erreichen können. Seine Hauptanwendung ist die Pumpquelle von Farbstofflasergeneratoren. Darüber hinaus kann es auch für Hochgeschwindigkeits-Blitzfotografie, Großbild-TV-Projektion und Materialbearbeitung verwendet werden.
Der Stickstoff-Molekularlasergenerator verwendet Stickstoff als Verstärkungsmedium, das ultraviolettes Licht von 337.1 nm, 357.7 nm und 315.9 nm emittieren kann und die Spitzenleistung 45 kW erreichen kann. Es kann als Pumplichtquelle für organische Farbstofflasergeneratoren verwendet werden und wird auch häufig in der Lasertrennung von Isotopen, der Fluoreszenzdiagnose, der Ultrahochgeschwindigkeitsfotografie, der Erkennung von Umweltverschmutzung, der Medizin und im Gesundheitswesen sowie in der landwirtschaftlichen Zucht eingesetzt. Da sich seine kurze Wellenlänge leichter fokussieren lässt, um einen kleinen Punkt zu erhalten, kann es auch zur Bearbeitung von Bauteilen im Submikrometerbereich verwendet werden.
Das im CO2-Lasergenerator verwendete Verstärkungsmedium ist Kohlendioxid gemischt mit Helium und Stickstoff, das Ferninfrarotlicht mit den Wellenlängen 9.6 μm und 10.6 μm ausgeben kann. Der Generator verfügt über eine hohe Energieumwandlungsrate, die Ausgangsleistung kann zwischen mehreren Watt und Zehntausenden Watt liegen und die extrem hohe Strahlqualität macht den CO2-Lasergenerator zu einem weit verbreiteten Einsatz in der Materialbearbeitung, der wissenschaftlichen Forschung, der Landesverteidigung und der Medizin.
Excimere sind instabile Moleküle, die im Resonator mit Mischungen aus verschiedenen Edelgasen und Halogengasen gefüllt werden, um Laser unterschiedlicher Wellenlänge zu erzeugen. Die Anregung erfolgt üblicherweise durch relativistische Elektronenstrahlen (Energie größer 200 keV) oder durch transversale schnelle Impulsentladungen. Wenn die instabilen Molekülbindungen des Excimers im angeregten Zustand aufgebrochen und in Atome im Grundzustand dissoziiert werden, wird die Energie des angeregten Zustands in Form von Laserstrahlung freigesetzt. Es wird häufig in den Bereichen Medizin, optische Kommunikation, Halbleiteranzeige, Fernerkundung, Laserwaffen und anderen Bereichen eingesetzt.
Der chemische Lasergenerator ist ein spezielles Gaslasersystem, das die durch chemische Reaktionen freigesetzte Energie nutzt, um eine Teilchenzahlumkehr zu realisieren. Die meisten von ihnen arbeiten im molekularen Übergangsmodus und der typische Wellenlängenbereich liegt im nahen bis mittleren Infrarot-Spektralbereich. Die wichtigsten sind Geräte mit Fluorwasserstoff (HF) und Deuteriumfluorid (DF). Ersteres kann mehr als 15 Spektrallinien zwischen 2.6 und 3.3 Mikrometer ausgeben; Letzteres hat etwa 25 Spektrallinien zwischen 3.5 und 4.2 Mikrometer. Beide Geräte sind derzeit in der Lage, Leistungen im Multi-Megawatt-Bereich zu erbringen. Aufgrund seiner enormen Energie wird es vor allem in der Nukleartechnik und im Militär eingesetzt.
Farbstofflasergenerator
Farbstofflasergeneratoren verwenden als Lasermedium einen organischen Farbstoff, meist eine flüssige Lösung. Farbstofflasergeneratoren können im Allgemeinen in einem größeren Wellenlängenbereich eingesetzt werden als gasförmige und Festkörperlasermedien. Aufgrund ihrer großen Bandbreite eignen sie sich besonders für abstimmbare und gepulste Lasergeneratoren. Aufgrund der kurzen Lebensdauer des Mediums und der begrenzten Ausgangsleistung wird er jedoch grundsätzlich durch wellenlängenabstimmbare Festkörperlaser wie Titan-Saphir-Laser ersetzt.
Diodenlasergenerator
Der Diodenlasergenerator ist ein Lasersystem, das Halbleitermaterialien als Medium verwendet. Es gibt drei Anregungsmodi: elektrische Injektion, Elektronenstrahlanregung und optisches Pumpen. Aufgrund seiner geringen Größe, seines niedrigen Preises, seiner hohen Effizienz, seiner langen Lebensdauer und seines geringen Stromverbrauchs kann es in den Bereichen elektronische Information, Laserdruck, Laserpointer, optische Kommunikation, Laser-TV, kleiner Laserprojektor, elektronische Information und integrierte Optik verwendet werden und anderen Bereichen.
Faserlasergenerator
Der Faserlasergenerator ist eine Art Lasersystem, das mit seltenen Erdelementen dotierte Glasfaser als Verstärkungsmedium verwendet. Es kann zum Bedrucken von Walzen, zum Bohren, Schneiden, Schweißen (Löten, Wasserabschrecken, Plattieren und Tiefschweißen) von Metall und Nichtmetall, für Militär, Verteidigung und Sicherheit, medizinische Ausrüstung, große Infrastruktur und als Pumpe verwendet werden für andere Laserquellen.
Freier Elektronenlasergenerator
Der Freie-Elektronen-Lasergenerator ist eine neuartige kohärente Hochleistungsstrahlungsquelle, die sich von herkömmlichen Lasergeneratoren unterscheidet. Es benötigt kein Gas, keine Flüssigkeit oder keinen Feststoff als Medium, sondern wandelt die kinetische Energie eines hochenergetischen Elektronenstrahls direkt in kohärente Strahlungsenergie um. Daher kann auch davon ausgegangen werden, dass die Arbeitssubstanz des Freie-Elektronen-Lasergenerators freie Elektronen sind. Es verfügt über eine Reihe hervorragender Eigenschaften wie hohe Leistung, hohe Effizienz, einen breiten Wellenlängenabstimmungsbereich und die Zeitstruktur ultrakurzer Impulse. Abgesehen davon gibt es keinen Lasergenerator, der diese Funktionen gleichzeitig haben kann. Es verfügt über beträchtliche Perspektiven in den Bereichen physikalische Forschung, Laserwaffen, Laserfusion, Photochemie und optische Kommunikation.
Quelle aus Stylecnc
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