עקרון עבודה ויישום של לייזר מוצק

לייזר מוצקהוא לייזר המשתמש בחומר לייזר מוצק כחומר העבודה. לייזר האודם שהומצא על ידי TH מימן ב-1960 היה לייזר מוצק והלייזר הראשון בעולם. לייזרים מוצקים מורכבים בדרך כלל מחומר עבודה בלייזר, מקור עירור, חלל מיקוד, רפלקטור חלל תהודה ואספקת חשמל.

חומר העבודה המוצק המשמש בסוג זה של לייזר מיוצר על ידי סימום יוני מתכת שיכולים לייצר פליטה מגורה לתוך הגביש. ישנם שלושה סוגים עיקריים של יוני מתכת שיכולים לייצר פליטה מעוררת במוצקים: (1) יוני מתכת מעבר (כגון Cr3 plus ); (2) רוב יוני המתכת הלנתניד (כגון Nd3 plus, Sm2 plus, Dy2 plus וכו'); (3) אקטיניום זהו יון מתכת (כגון U3 פלוס). המאפיינים העיקריים של יוני מתכת אלו המסוממים לתוך המטריצה ​​המוצקה הם: פס ספקטרלי ספיגה יעיל רחב יחסית, יעילות קרינה גבוהה יחסית, אורך חיים פלואורסצנטי ארוך יחסית וקווי ספקטרלי פלואורסצנטי צרים יחסית, כך שהם נוטים להיפוך מספר חלקיקים ולפליטה מגורה. הגבישים המלאכותיים המשמשים כמטריצת גבישים כוללים בעיקר: קורונדום (NaAlSi2O6), נופך אלומיניום איטריום (Y3Al5, O12), סידן טונגסטאט (CaWO4), סידן פלואוריד (CaF2) ועוד, וכן איטריום אלומינאט (YAlO3), בריליום לנתנום. חומצה (La2Be2O5) וכו'. מצע הזכוכית בו נעשה שימוש הוא בעיקר זכוכית אופטית סיליקט איכותית, כגון זכוכית כתר בריום וזכוכית כתר סידן. בהשוואה למטריצות גבישיות, המאפיינים העיקריים של מטריצות זכוכית הן קלות הכנה וזמינות קלה של חומרים איכותיים בגדלים גדולים. הדרישות העיקריות עבור גבישים ומצעי זכוכית הן: שילוב קל של יוני מתכת זוהרים לצורך הפעלה; מאפיינים ספקטרליים טובים, מאפייני העברה אופטיים ורמה גבוהה של אחידות אופטית (מקדם שבירה); תכונות פיזיקליות המתאימות לפעולת לייזר ארוכת טווח ותכונות כימיות (כגון תכונות תרמיות, תכונות אנטי-פירוק, יציבות כימית וכו'). לייזרים קריסטל מיוצגים בדרך כלל על ידי אודם (Al2O3: Cr3 plus ) ונופך איטריום אלומיניום מסוג איטריום (בקיצור YAG: Nd3 plus ). לייזרים מזכוכית מיוצגים בדרך כלל על ידי לייזרים מזכוכית ניאודימיום.

חומר עבודה מוצק בלייזר

חומר העבודה של לייזר במצב מוצק מורכב מקריסטל שקוף אופטית או זכוכית כחומר מטריקס, מסומם ביונים מפעילים או חומרים מפעילים אחרים. חומר עבודה זה צריך בדרך כלל להיות בעל תכונות פיזיקליות-כימיות טובות, קווים ספקטרליים צרים של הקרינה, פסי ספיגה חזקים ורחבים ויעילות קוונטית פלואורסצנטית גבוהה.

חומרי עבודה בלייזר זכוכית מיוצרים בקלות לחומרים אחידים בגודל גדול וניתן להשתמש בהם בלייזרים בעלי אנרגיה גבוהה או בהספק גבוה. עם זאת, קו ספקטרום הקרינה שלו רחב יותר והביצועים התרמיים שלו גרועים, מה שהופך אותו לא מתאים לעבודה תחת הספק ממוצע גבוה. כוסות ניאודימיום נפוצות כוללות כוסות סיליקט, פוספט ופלואורפוספט. בתחילת שנות ה-80 פותחה בהצלחה זכוכית ניאודימיום עם מקדם טמפרטורת מקדם שבירה שלילי, שניתן להשתמש בה בלייזרי אנרגיה בינוניים וקטנים עם שיעורי חזרות גבוהים.

לחומרי עבודה בלייזר קריסטל יש בדרך כלל תכונות תרמיות ומכאניות טובות וקווי ספקטרלי פלואורסצנטי צרים, אך טכנולוגיית צמיחת הגביש להשגת חומרים באיכות גבוהה בגודל גדול היא מסובכת. מאז שנות ה-60, יותר מ-300 סוגים של גבישי תחמוצת ופלואור מסוממים במתכות אדמה נדירות שונות או יוני מתכת מעבר השיגו תנודת לייזר. גבישי לייזר בשימוש נפוץ כוללים אודם (Cr:Al2O3, אורך גל 6943 אנגסטרום), נופך אלומיניום איטריום מסומם בניאודימיום (Nd:Y3Al5O12, המכונה Nd:YAG, אורך גל 1.064 מיקרון), ליתיום איטריום פלואוריד (LiYF4; Nd:YLF , אורך גל 1.047 או 1.05 מיקרון; Ho:Er:Tm:YLF, אורך גל 2.06 מיקרון) וכו'.

מאז 1973, קיים סוג נוסף של גביש לייזר המפעיל את עצמו. היונים המופעלים שלו הם מרכיב כימי של הגביש, ולכן ריכוז היונים המופעלים גבוה ולא תתרחש כיבוי הקרינה. לגביש זה יש רווח לייזר גבוה וסף מיצוי נמוך. הזנים העיקריים כוללים ניאודימיום פנטפוספט (NdP5O14), ליתיום ניאודימיום טטרפוספט (NdLiP4O12), ובוראט ניאודימיום אלומיניום (NdAl3(BO4)3). הם גדלים בעיקר בשיטת המלח המותך ויש להם גדלי גבישים קטנים, כך שניתן להשתמש בהם בלייזרים קטנים במצב מוצק.

פותחו מגוון גבישי לייזר ניתנים לכוונון בעלי מאפייני פלואורסצנטי בפס רחב, כגון כריסובריל עם מעבר פונון מסוף (Cr:BeAl2O4, אורך גל 0.701-0.815 מיקרון, פועל בטמפרטורת החדר), ניקל- מגנזיום פלואוריד מסומם (Ni: MgF2, אורך גל 1.6~1.8 מיקרון, עובד בטמפרטורה נמוכה), ליתיום איטריום פלואוריד מסומם בסריום עם מעבר 5d→4f (Ce:YLF, אורך גל 0.306 ~0.315 מיקרון, מעורר בלייזר אקצימר, עובד בטמפרטורת החדר) ומרכז הצבע של גביש לייזר אלקלי (אלקליין כלורי לא מסומם או מסומם, ליתיום פלואוריד וכו', אורך גל 0.8~3.9 מיקרון, בעיקר עובד בטמפרטורה נמוכה).

מקור עירור לייזר מוצק

לייזרים מוצקים משתמשים באור כמקור העירור. מקורות עירור דופק נפוצים כוללים מנורות פלאש טעונות קסנון; מקורות עירור מתמשכים כוללים מנורות קשת קריפטון, מנורות טונגסטן יוד, מנורות אשלגן רובידיום וכו'. בלייזרים קטנים בעלי חיים ארוכים, דיודות פולטות אור מוליכים למחצה או אור שמש יכולים לשמש כמקורות עירור. כמה לייזרים חדשים במצב מוצק משתמשים גם בגירוי לייזר.

מכיוון שרק חלק מספקטרום הפליטה של ​​מקור האור נספג בחומר העבודה, בתוספת הפסדים נוספים, יעילות המרת האנרגיה של לייזרים במצב מוצק אינה גבוהה, בדרך כלל בין אלפיות בודדות לאחוזים בודדים.

מאפייני לייזר מוצקים

לייזרים מוצקים יכולים לשמש כמקורות אור קוהרנטיים בעלי אנרגיה גבוהה והספק גבוה. אנרגיית הפלט של לייזר דופק רובי יכולה להגיע לרמת קילוג'אול. למערכת הלייזר מזכוכית ניאודימיום מוגברת Q-switch ורב-שלבית יש עוצמת דופק מקסימלית של 10 וואט. הספק המוצא של הלייזר הרציף מאלומיניום איטריום עשוי להגיע למאות וואט, וחיבור סדרתי רב-שלבי יכול להגיע לקילווואט.

לייזרים במצב מוצק משתמשים בטכנולוגיית Q-switching (אפנון אור נראה) כדי להשיג פולסים קצרים הנעים בין ננו-שניות למאות ננו-שניות, ומשתמשים בטכנולוגיית נעילת מצבים כדי לקבל פולסים קצרים במיוחד הנעים בין פיקו-שניות למאות פיקו-שניות.

בשל אי-הומוגניות אופטית של חומר העבודה וסיבות אחרות, הפלט של לייזרים כלליים במצב מוצק הוא רב-מצבי. אם נבחר חומר העבודה עם אחידות אופטית טובה וחלל התהודה מתוכנן בקפידה וננקטים אמצעים טכניים אחרים, ניתן לקבל את הלייזר הבסיסי רוחבי (TEM00) עם זווית סטייה קרן הקרובה לגבול העקיפה. , וניתן להשיג גם לייזר במצב אורך יחיד.

יישומי לייזר במצב מוצק ומגמות

ללייזרים במצב מוצק מגוון רחב של שימושים בתחומי צבא, עיבוד, מחקר רפואי ומדעי. הוא נפוץ בשימוש בטווח, מעקב, הדרכה, קידוח, חיתוך וריתוך, חישול של חומרים מוליכים למחצה, מיקרו-עיבוד של מכשירים אלקטרוניים, זיהוי אטמוספרי, מחקר ספקטרוסקופי, כירורגיה וניתוחי עיניים, אבחון פלזמה, הולוגרפיה דופק ואיחוי לייזר וכו' . לייזרים במצב מוצק משמשים גם כמקורות עירור ללייזרי צבע ניתנים לכוונון.

מגמת הפיתוח של לייזרים במצב מוצק היא גיוון של חומרים ומכשירים, כולל חיפוש אחר אורכי גל חדשים וחומרי עבודה חדשים עם אורכי גל הפעלה ניתנים לכוונון, שיפור יעילות ההמרה של הלייזר, הגדלת הספק המוצא, שיפור איכות האלומה, דחיסה רוחב הדופק, שיפור האמינות וחיי עבודה ארוכים.

פרטי התקשרות:

אם יש לך רעיונות, אתה מוזמן לדבר איתנו. לא משנה היכן נמצאים הלקוחות שלנו ומהן הדרישות שלנו, אנו נפעל לפי המטרה שלנו לספק ללקוחותינו איכות גבוהה, מחירים נמוכים, והשירות הטוב ביותר.