Introdução à teoria, classificação e aplicação do laser

Lasers - dispositivos que emitem lasers.

O primeiro amplificador quântico de microondas foi fabricado em 1954 e o feixe de microondas era altamente coerente.

Em 1958, A.L. scholl e C.H. A Tuns aplicou o princípio dos amplificadores quânticos de microondas à faixa de frequências de luz. Em 1960, T.H. Maiman et al. fez o primeiro laser de rubi.

Em 1961, a. jarvin et al. fez um laser he-ne.

Em 1962, a R.N. Hall et al. criaram lasers semicondutores de arsenieto de gálio.

No futuro, haverá mais e mais tipos de lasers.

De acordo com o meio de trabalho, o laser pode ser dividido em quatro categorias: laser a gás, laser sólido, laser semicondutor e laser corante.

Recentemente, lasers de elétrons livres foram desenvolvidos. Lasers de alta potência são geralmente pulsados.

I. princípio:

Todos os tipos de lasers têm os mesmos princípios operacionais básicos, exceto o laser de elétrons livre. A condição essencial para a produção de laser é a inversão do número de partículas e o ganho com a perda. Portanto, o componente indispensável do dispositivo tem duas partes: fonte de excitação (ou bombeamento) e meio de trabalho com nível de energia metaestável.

Excitação é a excitação do meio de trabalho após a absorção de energia estranha para o estado excitado, para alcançar e manter as condições de reversão do número de partículas.

Existem incentivos ópticos, elétricos, químicos e nucleares.

O nível de energia substituível do meio de trabalho torna a radiação estimulada dominante, realizando a amplificação óptica.

Os componentes comuns de um laser incluem uma cavidade ressonante, mas a cavidade (veja a cavidade óptica) não é um componente essencial. A cavidade permite que os fótons na cavidade tenham uma frequência, fase e direção de operação consistentes, dando ao laser uma boa diretividade e coerência.

Além disso, ele pode encurtar o comprimento do material de trabalho e ajustar o modo do laser produzido, alterando o comprimento da cavidade (isto é, seleção de modo). Portanto, a maioria dos lasers possui cavidade ressonante.

Substância de trabalho a laser

O termo refere-se ao sistema de substância usado para realizar a reversão do número de partículas e gerar luz por amplificação de radiação estimulada, às vezes também chamada de meio de ganho a laser, podendo ser sólido (cristal, vidro), gás (gás atômico, gás iônico, gás molecular), semicondutor e meio líquido.

O principal requisito para o material de trabalho a laser é obter um alto grau de inversão do número de partículas entre os níveis de energia específicos das partículas de trabalho e manter a inversão o mais eficaz possível durante todo o processo de emissão do laser.

Portanto, é necessário que a substância de trabalho tenha uma estrutura de nível de energia e características de transição adequadas.

3. Sistema de excitação de bombeamento

Significa um mecanismo ou dispositivo que fornece energia para uma substância que funciona com laser realizar e manter uma reversão do número de partículas.

Dependendo da substância de trabalho e das condições de operação do laser, diferentes métodos e dispositivos de excitação podem ser adotados.

Atuação óptica (bomba de luz).

Todo o dispositivo de excitação é geralmente composto de fontes de luz de descarga de gás (como lâmpada de xenônio, lâmpada de krypton) e concentrador. Este método de excitação também é chamado de bomba de lâmpada.

, excitação por descarga de gás.

Todo o dispositivo de excitação é geralmente composto pelo eletrodo de descarga e pela fonte de alimentação de descarga.

Química.

A inversão do número de partículas é alcançada usando o processo de reação química que ocorre na substância de trabalho, que geralmente requer reagentes químicos apropriados e medidas de iniciação correspondentes.

Energia nuclear.

Fragmentos de fissão, partículas de alta energia ou radiação produzida por pequenas reações de fissão nuclear são usados ​​para excitar o material de trabalho e realizar a reversão do número de partículas.

Cavidade óptica

Geralmente é composto por dois espelhos com certas propriedades geométricas e ópticas.

O efeito é fornecer feedback óptico para que os fótons de radiação excitados viajem para a frente e para trás na cavidade muitas vezes para formar oscilações contínuas coerentes.

A direção e a frequência dos feixes oscilantes na cavidade são limitadas para garantir que o laser de saída seja direcional e monocromático.

O efeito da cavidade é determinado pela forma geométrica (raio de curvatura da superfície reflexiva) e pela combinação relativa dos dois espelhos que normalmente constituem a cavidade.

As forças são determinadas pelas características de perda seletiva de diferentes direções de movimento e diferentes frequências de luz em um determinado tipo de cavidade.

Existem muitos tipos de lasers.

Na parte seguinte, serão introduzidas a classificação da substância de trabalho do laser, modo de excitação, modo de operação e faixa de comprimento de onda de saída.

Substância de trabalho

Todos os lasers podem ser divididos nas seguintes categorias, de acordo com os diferentes estados físicos da substância de trabalho: o restante laser sólido (cristal e vidro).

O laser gasoso é um gás, e pode ser dividido em laser atômico a gás, laser a gás iônico, laser a gás molecular e laser a gás excimer de acordo com as diferentes propriedades das partículas de trabalho no gás que realmente geram emissão estimulada.

As substâncias de trabalho adotadas por esse tipo de laser incluem solução de corante fluorescente orgânico e solução de composto inorgânico contendo íons de metais de terras raras, nos quais íons metálicos (como Nd) agem como partículas de trabalho e líquidos de compostos inorgânicos (como SeOCl2) atuam como substrato.

(4) laser semicondutor, o laser é um papel de material semicondutor como substância ativa produzida por emissão estimulada de radiação, cujo princípio é através de certos incentivos (bomba de injeção elétrica, injeção de luz ou de feixe de elétrons de alta energia), entre o intervalo de banda de material semicondutor ou entre a faixa e o nível de impureza, estimulando o transportador e o equilíbrio da inversão da população, o papel da luz é produzido pela emissão estimulada de radiação;

(5) laser de elétrons livres, este é um tipo especial de novo tipo de laser, material de trabalho para mudanças periódicas no espaço do movimento de alta velocidade no feixe de elétrons direcional de campo magnético, desde que a velocidade de mudança do feixe de elétrons livres pode produzir radiação eletromagnética coerente ajustável, em princípio, o espectro de radiação coerente pode fazer a transição dos comprimentos de onda dos raios X para a área de microondas, por isso é uma perspectiva muito tentadora.

Vi. Incentivos

Laser da bomba de luz.

Refere-se a lasers bombeados pela luz, incluindo quase todos os lasers sólidos e líquidos, além de alguns lasers a gás e semicondutores.

Um laser eletricamente excitado.

A maioria dos lasers de gás é excitada por descarga de gás (descarga CC, descarga CA, descarga de pulso, injeção de feixe de elétrons), enquanto os lasers semicondutores mais comuns são energizados por injeção de corrente de junção. Alguns lasers semicondutores também podem ser excitados por injeção de feixe de elétrons de alta energia.

Lasers químicos.

Este é um laser que usa a energia liberada por reações químicas para excitar o material de trabalho. As reações químicas podem ser desencadeadas pela luz, descarregadas ou quimicamente, respectivamente.

É o laser da bomba nuclear.

Um tipo de laser especial, como um laser de hélio-argônio bombeado nuclear, que usa a energia liberada por uma pequena reação de fissão nuclear para excitar o material de trabalho.

Vii. Modo de operação

Devido a diferentes materiais de trabalho, modos de excitação e fins de aplicação, o modo de operação e o estado de funcionamento do laser são diferentes, que podem ser divididos nos seguintes tipos principais.

O laser contínuo é caracterizado pela excitação da substância de trabalho e a correspondente saída do laser, que pode ser realizada continuamente em um longo período de tempo. O laser sólido excitado pela fonte de luz contínua e o laser de gás e laser semicondutor operado pela excitação elétrica contínua são desse tipo.

Devido ao inevitável efeito de superaquecimento dos dispositivos em operação contínua, a maioria deles precisa tomar medidas de resfriamento adequadas.

(2) um laser de pulso único, para este tipo de laser, incentivos materiais e emissão correspondente de laser, desde que tudo seja um processo de pulso único, o laser de estado sólido geral, o laser líquido, bem como algum laser de gás especial, adotam Dessa forma, o efeito de aquecimento do dispositivo neste momento pode ser ignorado, portanto, não é possível tomar medidas especiais de resfriamento.

(3) laser de pulso repetitivo, esses dispositivos são caracterizados por sua saída ser uma série de pulsos de laser repetidos; portanto, o dispositivo pode ser incentivos adequados, na forma de pulso repetitivo ou motivação com base no processo de oscilação a laser de modulação contínua, mas em de certa maneira, para obter uma saída repetitiva do laser de pulso, geralmente também é necessário tomar medidas eficazes de resfriamento no dispositivo.

(4) o laser, que se refere especificamente à adoção de uma certa tecnologia de comutação para obter alta potência de laser pulsado, seu princípio de funcionamento está no estado de trabalho de inversão populacional, a matéria não o faz após a formação de oscilação lasers ( o interruptor está fechado), depois de aguardar a acumulação de partículas em um nível alto o suficiente, o interruptor repentino instantâneo, que pode ocorrer em um período de tempo relativamente curto (10 a 10 segundos, por exemplo), forma uma oscilação muito forte do laser e um laser de pulso de alta potência saída (consulte '\"class = link> tecnologia laser).

(5) lasers bloqueados por modo, que é um tipo de tecnologia bloqueada por modo de tipo especial a laser, cujo trabalho é característico da cavidade de ressonância, possui uma relação de fase definida entre diferentes modos longitudinais; portanto, é possível obter uma série de vistas igualmente espaçadas laser de pulso ultracurto no tempo, largura de pulso de 10 a 10 segundos), se adotar ainda a tecnologia de interruptor óptico rápido especial, a partir da seleção de sequência de pulso único de pulsos ultracurtos a laser (consulte a tecnologia de laser bloqueado por modo).

6 modo único e a estabilização de freqüência do laser, o laser de modo único refere-se à adoção de um certo limite após a tecnologia do molde estar em um estado de modo transversal único ou operação de modo longitudinal único do laser, medidas de estabilização de frequência do laser referem-se à adoção de um certo controle automático do comprimento de onda da saída do laser ou da estabilidade da frequência sob certa precisão no escopo dos dispositivos a laser especiais, em alguns casos, também pode ser transformado em operação monomodo e laser especial capaz de dispositivos de controle automático da estabilidade da frequência (consulte o tecnologia de estabilização de frequência a laser).

Em geral, o comprimento de onda de saída de um laser ajustável é fixo, mas o comprimento de onda de saída de alguns lasers pode ser alterado em uma faixa contínua e controlável usando uma técnica de ajuste especial. Esse tipo de laser é chamado de laser ajustável (consulte a técnica de ajuste a laser).

Faixa de banda

Diferentes tipos de lasers podem ser divididos nos seguintes tipos, de acordo com a faixa de comprimento de onda do laser de saída.

A faixa de comprimento de onda de saída do laser infravermelho distante está entre 25 ~ 1000 mícrons. A saída de laser de algum laser de gás molecular e laser de elétron livre cai nessa área.

O laser nir refere-se a um dispositivo de laser cujo comprimento de onda do laser de saída está na região do infravermelho médio (2,5 ~ 25 mícrons), que é representado pelo laser de gás molecular CO (10,6 mícrons) e laser de gás molecular CO (5 ~ 6 mícrons).

O laser passivo de infravermelho próximo é um dispositivo de laser cujo comprimento de onda do laser de saída está na região do infravermelho próximo (0,75 ~ 2,5 mícrons), representado por laser sólido dopado em neodímio (1,06 mícrons), laser de diodo semicondutor CaAs (cerca de 0,8 mícrons) e alguns lasers a gás.

(4) o laser visível, refere-se ao comprimento de onda do laser de saída na faixa espectral visível (4000 ~ 7000 ou 0,4 ~ 0,7 mícrons) do dispositivo a laser, representantes para o laser de rubi (6943), laser he-ne (6328), argônio laser de íons (4880, 5145), laser de íons de cripton (4762, 5208, 5682, 6471) e alguns dos laser de tintura sintonizável etc.

O laser quase ultravioleta, cuja faixa de comprimento de onda do laser de saída está na região do espectro quase ultravioleta (2000-4000 angstroms), é representado pelo laser excimer de laser molecular de nitrogênio (3371 angstroms) xenônio fluoretado (XeF) (3511 angstroms, 3531 angstroms) , laser excimer de fluoreto de kripton (KrF) (2490 angstroms) e alguns lasers de corante sintonizáveis.

A faixa de comprimento de onda do laser de saída está na região do espectro ultravioleta de vácuo (50 ~ 2000 angstrom), representada pelo laser molecular (H) (1644 ~ 1098 angstrom), laser excimer de xenônio (Xe) (1730 angstrom), etc.

Radiografias suaves foram desenvolvidas, mas ainda estão em fase exploratória.

Ix. Principais finalidades

O laser é um dos componentes essenciais do sistema de processamento a laser moderno.

Com o desenvolvimento da tecnologia de processamento a laser, o laser se desenvolveu e muitos novos lasers apareceram.

Os primeiros lasers para processamento a laser são laser de gás CO2 de alta potência e laser YAG sólido bombeado por luz.

Do histórico de desenvolvimento da tecnologia de processamento a laser, o primeiro laser surgiu em meados dos anos 70, com tubo de laser de CO2 selado. Até agora, surgiu a quinta geração de laser de CO2 resfriado por difusão a laser de CO2.

Pode-se observar pelo desenvolvimento que o laser de CO2 inicial é inclinado à direção do desenvolvimento de melhorar a potência do laser. No entanto, quando a potência do laser atinge um determinado requisito, a qualidade do feixe é levada a sério e o desenvolvimento do laser é transferido para a qualidade do feixe de alto ajuste.

O laser de CO2 de ripas de resfriamento por difusão que aparece próximo ao limite de difração tem uma boa qualidade de feixe e tem sido amplamente utilizado, especialmente no campo de corte a laser, o que é preferido por muitas empresas.

No início do século 21, outro novo tipo de laser - laser semicondutor surgiu.

Comparado com o tradicional laser sólido de CO2 e YAG de alta potência, o laser semicondutor tem as óbvias vantagens técnicas, como a menção de pequeno, leve, alta eficiência, baixo consumo de energia, longa vida útil e alta absorção de metais do laser semicondutor, com o desenvolvimento contínuo da tecnologia de laser semicondutor, o laser semicondutor com base em outro laser sólido, como lasers de fibra, laser de estado sólido de bomba de semicondutor, como o desenvolvimento de laser de laje também é muito rapidamente.

Entre eles, os lasers de fibra se desenvolveram rapidamente, especialmente os lasers de fibra dopada com terras raras devem ser amplamente utilizados nos campos da comunicação por fibra, sensor de fibra e processamento de material a laser.

Devido às suas excelentes características, o laser tem sido usado em muitos campos, como indústria, agricultura, medição e detecção de precisão, comunicação e processamento de informações, tratamento médico e militar, e fez avanços revolucionários em muitos campos.

Nas forças armadas, o laser tem sido usado para comunicações, visão noturna, alerta precoce, alcance e outros aspectos, uma variedade de armas a laser e armas de orientação a laser também foram utilizadas.

1. O laser é usado como fonte de calor.

O raio laser é pequeno e carrega uma quantidade enorme de energia. Focar com uma lente, por exemplo, pode concentrar energia em uma área minúscula e gerar grandes quantidades de calor.

Por exemplo, as pessoas podem usar a energia concentrada e extremamente alta do laser para processar vários materiais e fazer 200 furos em uma agulha.

Como meio de causar estimulação, variação, cauterização e vaporização em organismos biológicos, o laser obteve bons resultados na aplicação prática da medicina e agricultura.

2. Variação do laser.

Como fonte de luz para detecção de alcance, o laser pode medir distâncias muito distantes devido à sua boa diretividade, alta potência e alta precisão.

3. Comunicação a laser.

Nas comunicações, um cabo óptico que usa um feixe de laser para transmitir sinais pode transportar tanta informação quanto 20.000 fios de cobre.

4. Aplicação de coleta controlada de núcleos no ar.

Atirando o laser em uma mistura de deutério e trítio, o laser fornece enormes quantidades de energia, produzindo alta pressão e alta temperatura, fazendo com que os dois núcleos se fundam em hélio e nêutrons e liberando grandes quantidades de energia de radiação ao mesmo tempo .

Como a energia do laser pode ser controlada, o processo é chamado de fusão nuclear controlada.

No futuro, com a pesquisa e o desenvolvimento adicionais da tecnologia a laser, o desempenho do laser será melhorado e o custo será reduzido, mas a sua gama de aplicações será expandida e desempenhará um papel cada vez maior.