La tecnologia laser è stata integrata nella vita quotidiana del mondo moderno. Diversi tipi di generatori laser funzionano a lunghezze d'onda diverse, mostrano caratteristiche diverse e quindi vengono utilizzati per scopi diversi.
A seconda del mezzo utilizzato, i generatori laser sono divisi in sei tipi: generatori laser a stato solido, a gas, a colorante, a diodi, a fibra e a elettroni liberi. Tra questi, ci sono molte suddivisioni di laser a stato solido e a gas. Fatta eccezione per i laser a elettroni liberi, la maggior parte dei metodi di generazione laser si basa sullo stesso meccanismo, basato su componenti come sorgente della pompa, risonatore ottico e mezzo di guadagno.
Questo articolo illustra i tipi più comuni di generatori laser, le loro caratteristiche e le loro applicazioni.
Generatore laser a stato solido
Nei generatori laser a stato solido, la luce viene generalmente utilizzata come sorgente della pompa e il cristallo o il vetro vengono utilizzati per generare luce laser. Il materiale è composto da una matrice e uno ione attivato. Il materiale della matrice fornisce un ambiente in cui lo ione attivato può generare il laser. Gli ioni attivati comunemente usati sono principalmente ioni di metalli di transizione, come ioni di cromo, cobalto e nichel, e ioni di metalli delle terre rare, come gli ioni di neodimio. Gli specchi rivestiti con pellicole dielettriche sono usati come specchi risonatori, compreso uno specchio pieno e mezzo specchio. Con una combinazione di diversi ioni attivati e materiali di matrice e lunghezze d'onda di eccitazione della luce, vengono emessi laser di varie lunghezze d'onda.
La lunghezza d'onda del laser emessa dal generatore laser a rubino è di 694.3 nm e il tasso di conversione fotoelettrico è dello 0.1%. Tuttavia, la sua vita fluorescente è lunga, il che favorisce l'accumulo di energia e può emettere un'elevata potenza di picco dell'impulso. Il laser generato da un'asta di rubino con lo spessore di un nucleo di penna e un lungo raggio può facilmente penetrare in una lastra di ferro. Prima dell'emergere di sistemi laser YAG più efficienti, i sistemi laser a rubino erano ampiamente utilizzati nel taglio e nella perforazione. Inoltre, la luce a 694 nm viene facilmente assorbita dalla melanina, quindi i laser al rubino vengono utilizzati anche nel trattamento delle lesioni pigmentate (macchie cutanee).
Il generatore laser Ti: Sapphire ha un'ampia gamma sintonizzabile di lunghezze d'onda da 660 nm a 1200 nm. Se utilizzato con la tecnologia di raddoppio della frequenza (che può raddoppiare la frequenza della luce, ovvero dimezzare la lunghezza d'onda), la gamma di lunghezze d'onda può essere estesa a 330 nm-600 nm. I sistemi laser allo zaffiro al titanio sono utilizzati nella spettroscopia a femtosecondi, nella ricerca sull'ottica non lineare, nella generazione di luce bianca, nella generazione di onde terahertz, ecc. E hanno anche applicazioni nell'estetica medica.
YAG è l'acronimo di ittrio alluminio granato, che è attualmente la più eccellente matrice di cristalli laser. Dopo essere stato drogato con neodimio (Nd), può emettere una luce di 1064 nm e la massima potenza di uscita continua può raggiungere 1000 w. All'inizio, come sorgente della pompa veniva utilizzata una lampada flash a gas inerte, ma il metodo della pompa della lampada flash ha un'ampia gamma spettrale, scarsa coincidenza con lo spettro di assorbimento del mezzo di guadagno e un grande carico termico, che si traduce in un basso tasso di conversione fotoelettrico. Utilizzando il pompaggio a diodi laser (LD), il sistema può produrre luce laser con alta efficienza, alta potenza e lunga durata.
I generatori laser Nd:YAG possono essere utilizzati nel trattamento degli emangiomi e inibiscono la crescita del tumore. Tuttavia, il danno termico al tessuto non è selettivo. Durante la coagulazione dei vasi sanguigni del tumore, l'energia in eccesso danneggerà anche il tessuto normale circostante ed è facile lasciare cicatrici dopo l'intervento chirurgico. Pertanto, il laser Nd:YAG è utilizzato principalmente in chirurgia, ginecologia, otorinolaringoiatria e meno in dermatologia.
Yb:YAG, l'itterbio (Yb) è drogato in YAG, che può emettere luce a 1030 nm. La lunghezza d'onda della pompa di Yb: YAG è 941 nm, che è molto vicina alla lunghezza d'onda di uscita, che può raggiungere un'efficienza quantica della pompa del 91.4%. Ciò significa che la maggior parte dell'energia in ingresso viene convertita in energia in uscita mentre solo una piccola parte dell'energia si trasforma in calore. Il calore generato dalla pompa viene soppresso entro il 10%, una percentuale relativamente bassa rispetto a Nd:YAG, che perde dal 25% al 30% di energia sotto forma di calore. Yb:YAG è diventato uno dei mezzi laser a stato solido più attraenti e i generatori laser a stato solido Yb:YAG ad alta potenza con pompa LD sono diventati un nuovo hotspot di ricerca, con un potenziale per solidi ad alta efficienza e alta potenza -generatori laser di stato.
Oltre ai due precedenti, YAG può essere drogato con olmio (Ho), erbio (Er) e molti altri elementi. Ho:YAG produce laser 2097nm e 2091nm sicuri per gli occhi, principalmente per comunicazioni ottiche, radar e applicazioni mediche. Er:YAG emette una luce di 2.9 μm e il corpo umano ha un alto tasso di assorbimento di questa lunghezza d'onda, quindi ha un grande potenziale per essere utilizzato per la chirurgia laser e la chirurgia vascolare.
Generatore laser a gas
I generatori laser a gas sono sistemi laser che utilizzano il gas come mezzo di guadagno, generalmente pompando scariche di gas. I tipi di gas includono il gas atomico (elio-neon, ione gas nobile e vapore metallico), il gas molecolare (azoto e anidride carbonica) e il gas ad eccimeri. Sono generalmente prodotti sotto reazioni chimiche.
Il generatore laser HeNe (HeNe) utilizza una miscela del 75% o più di He e del 15% o meno di Ne come mezzo di guadagno. A seconda dell'ambiente di lavoro, può emettere luce verde (543.5 nm), gialla (594.1 nm), arancione (612.0 nm), rossa (632.8 nm) e tre tipi di luce nel vicino infrarosso (1152 nm, 1523 nm e 3391 nm), di cui la luce rossa (632.8 nm) è la più comunemente usata. Il raggio emesso dal generatore laser HeNe ha una distribuzione gaussiana e la qualità del raggio è molto stabile. Nonostante la potenza non sia elevata, ha buone prestazioni nel campo della misurazione di precisione.
I comuni generatori laser a gas nobile funzionano con ioni argon (Ar+) e ioni krypton (Kr+). Il suo tasso di conversione dell'energia può raggiungere fino allo 0.6% e può produrre in modo continuo e stabile una potenza di 30-50 W per lungo tempo e la sua durata supera le 1000 ore. Questo tipo di laser viene utilizzato principalmente nella visualizzazione laser, nella spettroscopia Raman, nell'olografia, nell'ottica non lineare e in altri campi di ricerca, nonché nella diagnosi medica, nella separazione dei colori di stampa, nell'elaborazione del materiale metrologico e nell'elaborazione delle informazioni.
I generatori laser a vapore metallico funzionano con vapore metallico. Ad esempio, il generatore laser a vapore di rame emette principalmente luce verde (510.5 nm) e luce gialla (578.2 nm), che possono raggiungere una potenza media di 100 w e una potenza di picco di 100 kw. La sua applicazione principale è la sorgente di pompa dei generatori di laser a colorante. Inoltre, può essere utilizzato anche per la fotografia con flash ad alta velocità, la proiezione TV a grande schermo e l'elaborazione dei materiali.
Il generatore laser molecolare di azoto utilizza l'azoto come mezzo di guadagno, che può emettere luce ultravioletta di 337.1 nm, 357.7 nm e 315.9 nm e la potenza di picco può raggiungere 45kw. Può essere utilizzato come sorgente di luce per pompe per generatori laser a coloranti organici ed è anche ampiamente utilizzato nella separazione laser degli isotopi, nella diagnosi della fluorescenza, nella fotografia ad altissima velocità, nel rilevamento dell'inquinamento, nell'assistenza medica e sanitaria e nell'allevamento agricolo. Poiché la sua lunghezza d'onda corta è più facile da mettere a fuoco per ottenere un piccolo spot, può essere utilizzata anche per elaborare componenti sub-micron.
Il mezzo di guadagno utilizzato nel generatore laser CO2 è anidride carbonica miscelata con elio e azoto, che può emettere luce nel lontano infrarosso centrata a lunghezze d'onda di 9.6 μm e 10.6 μm. Il generatore ha un elevato tasso di conversione dell'energia, la potenza in uscita può variare da diversi watt a decine di migliaia di watt e la qualità del raggio estremamente elevata rende il generatore laser CO2 ampiamente utilizzato nella lavorazione dei materiali, nella ricerca scientifica, nella difesa nazionale e nella medicina.
Gli eccimeri sono molecole instabili che vengono riempite con miscele di diversi gas nobili e gas alogeno nel risonatore per generare laser di diverse lunghezze d'onda. L'eccitazione è solitamente ottenuta da fasci di elettroni relativistici (energia maggiore di 200 keV) o da scariche trasversali a impulsi rapidi. Quando i legami molecolari instabili dell'eccimero dello stato eccitato vengono rotti e dissociati in atomi dello stato fondamentale, l'energia dello stato eccitato viene rilasciata sotto forma di radiazione laser. È ampiamente utilizzato in medicina, comunicazione ottica, display a semiconduttore, telerilevamento, armi laser e altri campi.
Il generatore laser chimico è un tipo speciale di sistema laser a gas che utilizza l'energia rilasciata dalle reazioni chimiche per realizzare l'inversione del numero di particelle. La maggior parte di essi funziona in modalità di transizione molecolare e la tipica gamma di lunghezze d'onda è nella regione spettrale del vicino infrarosso e del medio infrarosso. I più importanti sono i dispositivi al fluoruro di idrogeno (HF) e al fluoruro di deuterio (DF). Il primo può produrre più di 15 righe spettrali tra 2.6 e 3.3 micron; quest'ultimo ha circa 25 righe spettrali comprese tra 3.5 e 4.2 micron. Entrambi i dispositivi sono attualmente in grado di erogare uscite multi-megawatt. A causa della sua enorme energia, è generalmente utilizzato nell'ingegneria nucleare e nei campi militari.
Generatore laser colorante
I generatori di coloranti laser utilizzano un colorante organico come mezzo laser, di solito una soluzione liquida. I generatori di laser a colorante possono essere generalmente utilizzati su una gamma più ampia di lunghezze d'onda rispetto ai mezzi laser gassosi e allo stato solido. La loro ampia larghezza di banda li rende particolarmente adatti per generatori di laser sintonizzabili e pulsati. Tuttavia, a causa della sua breve durata media e della potenza di uscita limitata, è sostanzialmente sostituito da laser a stato solido regolabili in lunghezza d'onda come lo zaffiro di titanio.
Generatore di laser a diodi
Il generatore di laser a diodi è un sistema laser che utilizza materiali semiconduttori come mezzo. Esistono tre modalità di eccitazione: iniezione elettrica, eccitazione a fascio di elettroni e pompaggio ottico. A causa delle sue dimensioni ridotte, del prezzo basso, dell'elevata efficienza, della lunga durata e del basso consumo energetico, può essere utilizzato in informazioni elettroniche, stampa laser, puntatore laser, comunicazione ottica, TV laser, piccolo proiettore laser, informazioni elettroniche, ottica integrata e altri campi.
Generatore di fibre di fibra
Il generatore laser a fibra è un tipo di sistema laser che utilizza la fibra di vetro drogata con elementi di terre rare come mezzo di guadagno. Può essere utilizzato per la stampa di rotoli, perforazione metallica e non metallica, taglio, saldatura (brasatura, tempra in acqua, rivestimento e saldatura profonda), militare, difesa e sicurezza, apparecchiature mediche, infrastrutture su larga scala e come pompa per altre sorgenti laser.
Generatore laser di elettroni gratuito
Il generatore laser a elettroni liberi è un nuovo tipo di sorgente di radiazione coerente ad alta potenza diversa dai tradizionali generatori laser. Non ha bisogno di gas, liquido o solido come mezzo, ma converte direttamente l'energia cinetica di un fascio di elettroni ad alta energia in energia di radiazione coerente. Pertanto, si può anche considerare che la sostanza di lavoro del generatore laser a elettroni liberi sono gli elettroni liberi. Ha una serie di caratteristiche eccellenti come alta potenza, alta efficienza, un'ampia gamma di sintonizzazione della lunghezza d'onda e struttura temporale degli impulsi ultra-corti. A parte questo, non esiste un generatore laser che possa avere queste caratteristiche contemporaneamente. Ha notevoli prospettive nei campi della ricerca fisica, delle armi laser, della fusione laser, della fotochimica e delle comunicazioni ottiche.
Fonte da Stilecnc
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