A tecnologia laser foi integrada à vida cotidiana do mundo moderno. Diferentes tipos de geradores de laser funcionam em diferentes comprimentos de onda, exibem características diferentes e, portanto, são usados para diferentes propósitos.
Dependendo do meio usado, os geradores de laser são divididos em seis tipos: geradores de laser de estado sólido, gás, corante, diodo, fibra e elétrons livres. Entre eles, existem muitas subdivisões de lasers de estado sólido e de gás. Exceto para lasers de elétrons livres, a maioria dos métodos de geração de laser são baseados no mesmo mecanismo, baseado em componentes como fonte de bomba, ressonador óptico e meio de ganho.
Este artigo mostra os tipos mais comuns de geradores a laser, seus recursos e suas aplicações.
Gerador de laser de estado sólido
Em geradores de laser de estado sólido, a luz é geralmente usada como fonte de bomba e cristal ou vidro é usado para gerar a luz do laser. O material é composto por uma matriz e um íon ativado. O material da matriz fornece um ambiente para o íon ativado gerar laser. Os íons ativados comumente usados são principalmente íons de metais de transição, como íons de cromo, cobalto e níquel, e íons de metais de terras raras, como íons de neodímio. Os espelhos revestidos com filmes dielétricos são usados como espelhos ressonadores, incluindo um espelho completo e um meio espelho. Com uma combinação de diferentes íons ativados e materiais de matriz e comprimentos de onda de excitação de luz, são emitidos lasers de vários comprimentos de onda.
A saída de comprimento de onda do laser pelo gerador de laser de rubi é de 694.3 nm, e a taxa de conversão fotoelétrica é tão baixa quanto 0.1%. No entanto, sua vida fluorescente é longa, o que é propício ao armazenamento de energia e pode produzir alta potência de pico de pulso. O laser gerado por uma haste de rubi com a espessura de um núcleo de caneta e um longo feixe pode penetrar facilmente em uma folha de ferro. Antes do surgimento de sistemas de laser YAG mais eficientes, os sistemas de laser de rubi eram amplamente utilizados em corte e perfuração. Além disso, a luz de 694nm é facilmente absorvida pela melanina, por isso os lasers de rubi também são usados no tratamento de lesões pigmentadas (manchas na pele).
O gerador de laser Ti:Sapphire possui uma ampla faixa ajustável de comprimentos de onda de 660nm a 1200nm. Quando usado com a tecnologia de duplicação de frequência (que pode dobrar a frequência da luz, ou seja, reduzir pela metade o comprimento de onda), a faixa de comprimento de onda pode ser estendida para 330nm-600nm. Os sistemas de laser de safira de titânio são usados em espectroscopia de femtossegundos, pesquisa de óptica não linear, geração de luz branca, geração de ondas terahertz, etc., e também têm aplicações em beleza médica.
YAG é o acrônimo de granada de alumínio de ítrio, que é a matriz de cristal de laser mais excelente atualmente. Depois de ser dopado com neodímio (Nd), pode produzir 1064nm de luz, e a potência máxima de saída contínua pode chegar a 1000w. Nos primeiros dias, uma lâmpada de gás inerte era usada como fonte de bomba, mas o método de bomba de lâmpada de flash tem uma ampla faixa espectral, pouca coincidência com o espectro de absorção do meio de ganho e uma grande carga térmica, resultando em um baixo taxa de conversão fotoelétrica. Usando bombeamento de diodo laser (LD), o sistema pode produzir luz laser com alta eficiência, alta potência e longa vida útil.
Os geradores de laser Nd:YAG podem ser usados no tratamento de hemangiomas e inibir o crescimento tumoral. No entanto, o dano térmico ao tecido não é seletivo. Ao coagular os vasos sanguíneos do tumor, o excesso de energia também danifica o tecido normal circundante, e é fácil deixar cicatrizes após a cirurgia. Portanto, o laser Nd:YAG é usado principalmente em cirurgia, ginecologia, otorrinolaringologia e menos em dermatologia.
Yb:YAG, itérbio (Yb) é dopado em YAG, que pode produzir luz de 1030nm. O comprimento de onda da bomba de Yb:YAG é 941nm, que está muito próximo do comprimento de onda de saída, que pode atingir uma eficiência quântica da bomba de 91.4%. Isso significa que a maior parte da energia de entrada é convertida em energia de saída, enquanto apenas uma pequena parte da energia se transforma em calor. O calor gerado pela bomba é suprimido dentro de 10%, uma porcentagem relativamente baixa em comparação com Nd:YAG, que perde 25% a 30% de energia na forma de calor. Yb:YAG tornou-se um dos meios de laser de estado sólido mais atraentes, e geradores de laser de estado sólido Yb:YAG de alta potência com bombeamento LD tornaram-se um novo hotspot de pesquisa, com potencial para sólidos de alta eficiência e alta potência geradores de laser de estado.
Além dos dois acima, o YAG pode ser dopado com hólmio (Ho), érbio (Er) e muitos outros elementos. A Ho:YAG produz lasers de 2097nm e 2091nm seguros para os olhos, principalmente para comunicação óptica, radar e aplicações médicas. Er:YAG emite luz de 2.9 μm, e o corpo humano tem uma alta taxa de absorção desse comprimento de onda, por isso tem um grande potencial para ser usado em cirurgia a laser e cirurgia vascular.
Gerador de laser a gás
Os geradores a laser a gás são sistemas a laser que utilizam gás como meio de ganho, geralmente bombeando descargas de gás. Os tipos de gás incluem gás atômico (hélio-neon, íon de gás nobre e vapor de metal), gás molecular (nitrogênio e dióxido de carbono) e gás excimer. Eles geralmente são produzidos sob reações químicas.
O gerador de laser HeNe (HeNe) usa uma mistura de 75% ou mais de He e 15% ou menos de Ne como meio de ganho. Dependendo do ambiente de trabalho, ele pode emitir verde (543.5 nm), amarelo (594.1 nm), laranja (612.0 nm), vermelho (632.8 nm) e três tipos de luz infravermelha próxima (1152 nm, 1523 nm e 3391 nm), dos quais a luz vermelha (632.8 nm) é a mais comumente usada. A saída do feixe do gerador de laser HeNe tem uma distribuição gaussiana e a qualidade do feixe é muito estável. Embora a potência não seja alta, tem um bom desempenho no campo da medição de precisão.
Os geradores de laser de gás nobre comuns trabalham com íons de argônio (Ar+) e íons de criptônio (Kr+). Sua taxa de conversão de energia pode atingir até 0.6%, e pode produzir potência de saída contínua e estável de 30-50w por um longo tempo, e sua vida útil excede 1000h. Este tipo de laser é usado principalmente em exibição a laser, espectroscopia Raman, holografia, óptica não linear e outros campos de pesquisa, bem como diagnóstico médico, separação de cores de impressão, processamento de material de metrologia e processamento de informações.
Os geradores de laser de vapor de metal funcionam com vapor de metal. Por exemplo, o gerador de laser de vapor de cobre emite principalmente luz verde (510.5nm) e luz amarela (578.2nm), que pode atingir uma potência média de 100w e uma potência de pico de 100kw. Sua principal aplicação é a fonte de bombas de geradores de laser de corante. Além disso, também pode ser usado para fotografia com flash de alta velocidade, TV de projeção de tela grande e processamento de material.
O gerador de laser molecular de nitrogênio usa nitrogênio como meio de ganho, que pode emitir luz ultravioleta de 337.1 nm, 357.7 nm e 315.9 nm, e a potência de pico pode atingir 45kw. Ele pode ser usado como fonte de luz de bomba para geradores de laser de corante orgânico e também é amplamente utilizado na separação a laser de isótopos, diagnóstico de fluorescência, fotografia de ultra-alta velocidade, detecção de poluição, assistência médica e de saúde e reprodução agrícola. Como seu comprimento de onda curto é mais fácil de focar para obter um ponto pequeno, ele também pode ser usado para processar componentes submicrométricos.
O meio de ganho usado no gerador de laser de CO2 é o dióxido de carbono misturado com hélio e nitrogênio, que pode produzir luz infravermelha distante centrada em comprimentos de onda de 9.6 μm e 10.6 μm. O gerador tem uma alta taxa de conversão de energia, a potência de saída pode variar de vários watts a dezenas de milhares de watts, e a qualidade extremamente alta do feixe torna o gerador de laser de CO2 amplamente utilizado em processamento de materiais, pesquisa científica, defesa nacional e medicina.
Excimers são moléculas instáveis que são preenchidas com misturas de diferentes gases nobres e gases halogênios no ressonador para gerar lasers de diferentes comprimentos de onda. A excitação geralmente é obtida por feixes de elétrons relativísticos (energia superior a 200 keV) ou por descargas de pulsos rápidos transversais. Quando as ligações moleculares instáveis do excimer do estado excitado são quebradas e dissociadas em átomos do estado fundamental, a energia do estado excitado é liberada na forma de radiação laser. É amplamente utilizado em comunicação médica, óptica, exibição de semicondutores, sensoriamento remoto, armas a laser e outros campos.
O gerador de laser químico é um tipo especial de sistema de laser a gás que usa a energia liberada por reações químicas para realizar a inversão do número de partículas. A maioria deles trabalha no modo de transição molecular, e a faixa de comprimento de onda típica está na região espectral do infravermelho próximo ao infravermelho médio. Os mais importantes são os dispositivos de fluoreto de hidrogênio (HF) e fluoreto de deutério (DF). O primeiro pode produzir mais de 15 linhas espectrais entre 2.6 e 3.3 mícrons; este último tem cerca de 25 linhas espectrais entre 3.5 e 4.2 mícrons. Ambos os dispositivos são atualmente capazes de saídas de vários megawatts. Por causa de sua enorme energia, geralmente é usado em engenharia nuclear e campos militares.
Gerador de laser de corante
Os geradores de laser de corante usam um corante orgânico como meio de laser, geralmente uma solução líquida. Os geradores de laser de corante geralmente podem ser usados em uma faixa mais ampla de comprimentos de onda do que meios de laser gasosos e de estado sólido. Sua ampla largura de banda os torna particularmente adequados para geradores de laser sintonizáveis e pulsados. No entanto, devido à sua curta vida média e potência de saída limitada, ele é basicamente substituído por lasers de estado sólido ajustáveis em comprimento de onda, como safira de titânio.
Gerador de laser de diodo
O gerador de laser de diodo é um sistema de laser que utiliza materiais semicondutores como meio. Existem três modos de excitação: injeção elétrica, excitação por feixe de elétrons e bombeamento óptico. Devido ao seu tamanho pequeno, baixo preço, alta eficiência, longa vida útil e baixo consumo de energia, pode ser usado em informações eletrônicas, impressão a laser, ponteiro laser, comunicação óptica, TV a laser, projetor a laser pequeno, informações eletrônicas, óptica integrada , e outros campos.
Gerador de laser de fibra
O gerador de laser de fibra é um tipo de sistema de laser que usa fibra de vidro dopada com elementos de terras raras como meio de ganho. Pode ser usado para impressão de rolos, perfuração de metal e não metal, corte, soldagem (brasagem, têmpera com água, revestimento e soldagem profunda), militar, defesa e segurança, equipamentos médicos, infraestrutura de grande escala e como bomba para outras fontes de laser.
Gerador de laser de elétrons grátis
O gerador de laser de elétrons livre é um novo tipo de fonte de radiação coerente de alta potência diferente dos geradores de laser tradicionais. Ele não precisa de gás, líquido ou sólido como meio, mas converte diretamente a energia cinética de um feixe de elétrons de alta energia em energia de radiação coerente. Portanto, também pode ser considerado que a substância de trabalho do gerador de laser de elétrons livres são elétrons livres. Possui uma série de excelentes características, como alta potência, alta eficiência, ampla faixa de ajuste de comprimento de onda e estrutura de tempo de pulsos ultracurtos. Exceto por ele, não há gerador de laser que possa ter esses recursos ao mesmo tempo. Tem perspectivas consideráveis nas áreas de pesquisa em física, armas a laser, fusão a laser, fotoquímica e comunicações ópticas.
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