レーザー技術は現代社会の日常生活に組み込まれています。 異なる種類のレーザー発生器は異なる波長で機能し、異なる特性を示すため、異なる目的に使用されます。
使用される媒体に応じて、レーザー発生器は、固体、ガス、色素、ダイオード、ファイバー、および自由電子レーザー発生器の XNUMX つのタイプに分類されます。 その中には、固体レーザーとガスレーザーの多くの細分があります。 自由電子レーザーを除いて、ほとんどのレーザー生成方法は、ポンプ源、光共振器、利得媒体などのコンポーネントに基づく同じメカニズムに基づいています。
この記事では、最も一般的なタイプのレーザー発生器、その特徴、および用途について説明します。
固体レーザー発生器
固体レーザー発生器では、一般に光がポンプ光源として使用され、レーザー光の発生には結晶またはガラスが使用されます。 この材料はマトリックスと活性化されたイオンで構成されています。 マトリックス材料は、活性化されたイオンがレーザーを生成するための環境を提供します。 一般的に使用される活性イオンは、主にクロム、コバルト、ニッケルイオンなどの遷移金属イオンやネオジムイオンなどの希土類金属イオンです。 誘電体膜をコーティングしたミラーは、フルミラーやハーフミラーなどの共振器ミラーとして使用されます。 さまざまな活性化イオンとマトリックス材料、および励起光の波長を組み合わせることで、さまざまな波長のレーザーが放射されます。
ルビーレーザー発生器が出力するレーザー波長は694.3nmで、光電変換率は0.1%と低い。 ただし、蛍光寿命が長いためエネルギー貯蔵に適しており、高いパルスピークパワーを出力できます。 ペンの芯ほどの太さのルビーの棒と長いビームから発生するレーザーは、鉄板を容易に貫通します。 より効率的な YAG レーザー システムが登場する前は、ルビー レーザー システムが切断や穴あけに広く使用されていました。 また、694nmの光はメラニンに吸収されやすいため、ルビーレーザーは色素性病変（シミ）の治療にも使用されます。
Ti:Sapphire レーザー発生器は、660nm から 1200nm までの幅広い調整可能な波長範囲を備えています。 周波数倍増技術 (光の周波数を 330 倍にする、つまり波長を半分にする) と併用すると、波長範囲を 600nm ～ XNUMXnm まで拡張できます。 チタンサファイアレーザーシステムは、フェムト秒分光法、非線形光学研究、白色光の生成、テラヘルツ波の生成などに使用されており、医療美容にも応用されています。
YAGはイットリウム・アルミニウム・ガーネットの略称で、現在最も優れたレーザー結晶母材です。 ネオジム（Nd）をドープした後、1064nmの光を出力でき、最大連続出力電力は1000wに達します。 初期には不活性ガスフラッシュランプが励起光源として使用されていましたが、フラッシュランプ励起方式はスペクトル範囲が広く、利得媒質の吸収スペクトルとの一致が悪く、熱負荷が大きいため、低消費電力が発生します。光電変換率。 このシステムは、レーザー ダイオード (LD) ポンピングを使用して、高効率、高出力、長寿命のレーザー光を生成できます。
Nd:YAG レーザー発生器は血管腫の治療に使用でき、腫瘍の増殖を抑制します。 ただし、組織への熱損傷は非選択的です。 腫瘍の血管を凝固させると同時に、過剰なエネルギーによって周囲の正常組織も損傷し、術後に傷跡が残りやすくなります。 したがって、Nd:YAG レーザーは主に外科、婦人科、耳鼻咽喉科で使用され、皮膚科ではあまり使用されません。
Yb:YAGは、YAGにイッテルビウム(Yb)をドープしたもので、1030nmの光を出力できます。 Yb:YAGの励起波長は941nmであり、出力波長に非常に近く、91.4%の励起量子効率を達成できます。 これは、入力エネルギーの大部分が出力エネルギーに変換され、エネルギーのごく一部のみが熱に変換されることを意味します。 ポンプによる発熱は10％以内に抑えられ、熱としてエネルギーを25～30％失うNd:YAGに比べて比較的低い割合です。 Yb:YAG は最も魅力的な固体レーザー媒質の XNUMX つとなっており、LD 励起高出力 Yb:YAG 固体レーザー発生装置は、高効率、高出力固体レーザーの可能性を秘めた新たな研究のホットスポットとなっています。 -状態レーザー発生器。
上記の 2097 つに加えて、YAG にはホルミウム (Ho)、エルビウム (Er)、およびその他の多くの元素をドープできます。 Ho:YAG は、主に光通信、レーダー、医療用途向けに、目に安全な 2091nm および 2.9nm レーザーを製造しています。 Er:YAGはXNUMXμmの光を出力し、この波長は人体への吸収率が高いため、レーザー手術や血管手術などへの応用が期待されています。
ガスレーザー発生器
ガス レーザー発生器は、ガスを利得媒体として使用し、通常はガス放電をポンピングするレーザー システムです。 ガスの種類には、原子ガス（ヘリウム・ネオン、希ガスイオン、金属蒸気）、分子ガス（窒素、二酸化炭素）、エキシマガスなどがあります。 これらは通常、化学反応によって生成されます。
HeNe レーザー発生器 (HeNe) は、75% 以上の He と 15% 以下の Ne の混合物を利得媒体として使用します。 作業環境に応じて、緑色(543.5nm)、黄色(594.1nm)、オレンジ(612.0nm)、赤色(632.8nm)と1152種類の近赤外線(1523nm、3391nm、632.8nm)を発光し、このうち赤色光 (XNUMXnm) が最も一般的に使用されます。 HeNe レーザー発生器から出力されるビームはガウス分布を持ち、ビーム品質は非常に安定しています。 出力は高くありませんが、精密測定の分野では優れた性能を発揮します。
一般的な希ガス レーザー発生器は、アルゴン イオン (Ar+) とクリプトン イオン (Kr+) を使用して動作します。 エネルギー変換率は最大0.6%に達し、30〜50wの電力を長時間連続かつ安定して出力でき、寿命は1000時間を超えます。 このタイプのレーザーは、主にレーザー ディスプレイ、ラマン分光法、ホログラフィー、非線形光学などの研究分野のほか、医療診断、印刷色分解、計測材料処理、情報処理などにも使用されています。
金属蒸気レーザー発生器は金属蒸気を使用して動作します。 たとえば、銅蒸気レーザー発生器は主に緑色光 (510.5nm) と黄色光 (578.2nm) を出力し、平均出力 100w、ピーク出力 100kw に達します。 その主な用途は、色素レーザー発生器のポンプ源です。 また、高速フラッシュ撮影や大画面プロジェクションテレビ、素材加工などにもご利用いただけます。
窒素分子レーザー発生器は窒素を利得媒体として使用し、337.1 nm、357.7 nm、315.9 nmの紫外光を放射でき、ピーク出力は45kwに達します。 有機色素レーザー発生器のポンプ光源として使用でき、同位体のレーザー分離、蛍光診断、超高速写真撮影、汚染検出、医療およびヘルスケア、農業育種にも広く使用されています。 波長が短いと焦点を合わせて小さなスポットを得るのが容易なため、サブミクロンの部品の加工にも使用できます。
CO2 レーザー発生器で使用される利得媒体は、ヘリウムと窒素を混合した二酸化炭素であり、波長 9.6 μm および 10.6 μm を中心とする遠赤外光を出力できます。 この発生器はエネルギー変換率が高く、出力は数ワットから数万ワットの範囲であり、非常に高いビーム品質により、CO2 レーザー発生器は材料加工、科学研究、国防、医療で広く使用されています。
エキシマは、共振器内にさまざまな希ガスとハロゲンガスの混合物が充填され、さまざまな波長のレーザーを生成する不安定な分子です。 励起は通常、相対論的電子ビーム (200 keV を超えるエネルギー) または横方向の急速パルス放電によって行われます。 励起状態のエキシマの不安定な分子結合が壊れて基底状態の原子に解離すると、励起状態のエネルギーがレーザー放射の形で放出されます。 医療、光通信、半導体ディスプレイ、リモートセンシング、レーザー兵器などの分野で広く使用されています。
化学レーザー発生器は、化学反応によって放出されるエネルギーを使用して粒子数の反転を実現する特殊なタイプのガスレーザーシステムです。 それらのほとんどは分子遷移モードで動作し、典型的な波長範囲は近赤外から中赤外のスペクトル領域にあります。 最も重要なものは、フッ化水素 (HF) およびフッ化重水素 (DF) デバイスです。 前者は、15 ～ 2.6 ミクロンの範囲で 3.3 本を超えるスペクトル線を出力できます。 後者には、25 ミクロンと 3.5 ミクロンの間に約 4.2 本のスペクトル線があります。 どちらのデバイスも現在、マルチメガワットの出力が可能です。 その巨大なエネルギーのため、原子力工学や軍事分野で一般的に使用されています。
色素レーザー発生器
色素レーザー発生器は、レーザー媒体として有機色素 (通常は液体溶液) を使用します。 色素レーザー発生器は、一般に、気体レーザー媒体や固体レーザー媒体よりも幅広い波長で使用できます。 帯域幅が広いため、特に調整可能なパルスレーザー発生器に適しています。 ただし、媒体寿命が短く、出力が限られているため、基本的にはチタン サファイアなどの波長可変固体レーザーに置き換えられています。
ダイオードレーザー発生器
ダイオードレーザー発生器は、半導体材料を媒体として使用するレーザーシステムです。 励起モードには、電気注入、電子ビーム励起、光ポンピングの XNUMX つがあります。 小型、低価格、高効率、長寿命、低消費電力のため、電子情報、レーザー印刷、レーザーポインター、光通信、レーザーTV、小型レーザープロジェクター、電子情報、集積光学機器などに使用できます。 、その他の分野。
ファイバーレーザー発生器
ファイバーレーザー発生器は、希土類元素を添加したガラスファイバーを利得媒体として使用するレーザーシステムの一種です。 印刷ロール、金属および非金属の穴あけ、切断、溶接 (ろう付け、水焼入れ、被覆、深溶接)、軍事、防衛およびセキュリティ、医療機器、大規模インフラ、およびポンプとして使用できます。他のレーザー光源の場合。
自由電子レーザー発生器
自由電子レーザー発生器は、従来のレーザー発生器とは異なる新しいタイプの高出力コヒーレント放射線源です。 媒体として気体、液体、固体を必要とせず、高エネルギー電子ビームの運動エネルギーをコヒーレント放射線エネルギーに直接変換します。 したがって、自由電子レーザー発生装置の作動物質は自由電子であると考えることもできる。 高出力、高効率、広範囲の波長可変、超短パルスの時間構造など、一連の優れた特性を備えています。 それを除けば、これらの機能を同時に備えたレーザー発生装置はありません。 物理研究、レーザー兵器、レーザー核融合、光化学、光通信の分野で大きな可能性を秘めています。
ソースから スタイルcnc
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