Введение в лазерную теорию, классификацию и применение

Лазеры - устройства, излучающие лазеры.

Первый микроволновый квантовый усилитель был изготовлен в 1954 году, и микроволновый луч был очень когерентным.

В 1958 году А.Л. Шолль и Ч.Х. Тун применил принцип микроволновых квантовых усилителей к диапазону световых частот. В 1960 г. Т.Х. Майман и соавт. сделал первый рубиновый лазер.

В 1961 году а. Ярвин и соавт. сделал хе-нэ лазер.

В 1962 г. Р.Н. зал и соавт. созданы арсенид-галлиевые полупроводниковые лазеры.

В будущем будет появляться все больше и больше видов лазеров.

По рабочему телу лазер можно разделить на четыре категории: газовый лазер, твердотельный лазер, полупроводниковый лазер и лазер на красителе.

Недавно были разработаны лазеры на свободных электронах. Мощные лазеры обычно импульсные.

I. Принцип:

Все виды лазеров имеют одинаковые основные принципы работы, кроме лазера на свободных электронах. Основным условием производства лазера является инверсия числа частиц и усиление по сравнению с потерями. Поэтому незаменимый компонент устройства состоит из двух частей: источника возбуждения (или накачки) и рабочего тела с метастабильным уровнем энергии.

Возбуждение - это возбуждение рабочего тела после поглощения посторонней энергии в возбужденном состоянии для достижения и поддержания условий обращения числа частиц.

Существуют оптические, электрические, химические и ядерные стимулы.

Стабильный энергетический уровень рабочего тела делает стимулируемое излучение доминирующим, тем самым реализуя оптическое усиление.

Общие компоненты лазера включают в себя резонансную полость, но полость (см. Оптическая полость) не является существенной составляющей. Полость позволяет фотонам в резонаторе иметь одинаковую частоту, фазу и рабочее направление, что дает лазеру хорошую направленность и когерентность.

Кроме того, это может сократить длину рабочего материала и отрегулировать режим лазера, производимого путем изменения длины резонатора (то есть выбора режима). Поэтому большинство лазеров имеют резонансную полость.

Лазерное рабочее вещество

Термин относится к системе веществ, используемой для реализации инверсии числа частиц и генерирования света путем усиления стимулированного излучения, которое иногда также называют средой усиления лазера, они могут быть твердыми (кристалл, стекло), газом (атомный газ, ионный газ, молекулярный газ), полупроводниковая и жидкая среда.

Основным требованием к лазерному рабочему материалу является достижение большой степени инверсии числа частиц между конкретными уровнями энергии рабочих частиц и поддержание инверсии как можно более эффективной в течение всего процесса лазерного излучения.

Следовательно, требуется, чтобы рабочее вещество имело правильную структуру уровня энергии и характеристики перехода.

3. Насосная система возбуждения

Означает механизм или устройство, которое обеспечивает энергию для рабочего вещества лазера, чтобы реализовать и поддерживать инверсию числа частиц.

В зависимости от рабочего вещества и условий работы лазера могут быть применены различные методы и устройства возбуждения.

Оптическая активация (световой насос).

Все возбуждающее устройство обычно состоит из газоразрядных источников света (таких как ксеноновая лампа, криптоновая лампа) и концентратора. Этот метод возбуждения также называется ламповым насосом.

, газоразрядное возбуждение.

Все возбуждающее устройство обычно состоит из разрядного электрода и источника питания разряда.

Химия.

Инверсия числа частиц достигается с помощью процесса химической реакции, протекающей в рабочем веществе, который обычно требует соответствующих химических реагентов и соответствующих мер инициирования.

Ядерная энергия.

Осколки деления, высокоэнергетические частицы или излучение, возникающее в результате небольших реакций ядерного деления, используются для возбуждения рабочего материала и реализации изменения числа частиц.

Оптическая полость

Обычно он состоит из двух зеркал с определенными геометрическими и оптическими свойствами.

В результате создается оптическая обратная связь, благодаря которой возбужденные фотоны излучения многократно перемещаются в полости назад и вперед, образуя когерентные непрерывные колебания.

Направление и частота колеблющихся лучей в резонаторе ограничены, чтобы гарантировать, что выходной лазер является направленным и монохроматическим.

Эффект резонатора определяется геометрической формой (радиусом кривизны отражающей поверхности) и относительной комбинацией двух зеркал, которые обычно составляют полость.

Силы определяются характеристиками селективных потерь при различных направлениях движения и разных частотах света в данном типе резонатора.

Существует много типов лазеров.

В следующей части будет представлена ​​классификация рабочего вещества лазера, режима возбуждения, режима работы и диапазона длин волн на выходе.

Рабочее вещество

Все лазеры можно разделить на следующие категории в соответствии с различными физическими состояниями рабочего вещества: остальной твердотельный лазер (кристалл и стекло).

Газообразный лазер представляет собой газ, и его можно дополнительно разделить на атомный газовый лазер, ионный газовый лазер, молекулярный газовый лазер и эксимерный газовый лазер в соответствии с различными свойствами рабочих частиц в газе, которые фактически генерируют стимулированное излучение.

Рабочие вещества, принимаемые этим типом лазера, включают раствор органического флуоресцентного красителя и раствор неорганического соединения, содержащие ионы редкоземельных металлов, в которых ионы металлов (такие как Nd) действуют как рабочие частицы, а жидкости с неорганическими соединениями (такие как SeOCl2) действуют как субстрат.

(4) полупроводниковый лазер, лазер играет роль полупроводникового материала в качестве рабочего вещества, производимого путем вынужденного излучения излучения, принцип которого заключается в определенных стимулах (электрический инжекционный насос, инжекция света или пучка электронов высокой энергии) между шириной запрещенной зоны полупроводниковый материал или между зоной и уровнем примесей, стимулируя носитель и инверсию баланса населения, роль света создается стимулированным излучением излучения;

(5) лазер на свободных электронах, это особый тип нового типа лазера, рабочий материал для периодических изменений в пространстве высокоскоростного движения в магнитном поле направленного пучка свободных электронов, до тех пор, пока скорость изменения пучка свободных электронов может генерировать настраиваемое когерентное электромагнитное излучение, в принципе спектр когерентного излучения может переходить от длин волн рентгеновского излучения к микроволновой области, поэтому это очень заманчивые перспективы.

Vi. стимулы

Лазер накачки света.

Относится к лазерам с накачкой светом, включая почти все твердые и жидкие лазеры, а также несколько газовых и полупроводниковых лазеров.

Электрически возбужденный лазер.

Большинство газовых лазеров возбуждаются газовым разрядом (разряд постоянного тока, разряд переменного тока, импульсный разряд, инжекция электронного пучка), в то время как большинство обычных полупроводниковых лазеров питаются от инжекции тока перехода. Некоторые полупроводниковые лазеры также могут возбуждаться за счет инжекции высокоэнергетического электронного пучка.

Химические лазеры.

Это лазер, который использует энергию, выделяемую химическими реакциями для возбуждения рабочего материала. Химические реакции могут быть вызваны светом, разряжены или химически вызваны соответственно.

Является ли лазер с ядерной накачкой.

Тип специального лазера, такого как гелий-аргоновый лазер с ядерной накачкой, который использует энергию, выделяемую небольшой реакцией ядерного деления, для возбуждения рабочего материала.

Vii. Режим работы

Из-за различных рабочих материалов, режимов возбуждения и целей применения режим работы и рабочее состояние лазера различны, которые можно разделить на следующие основные типы.

Непрерывный лазер характеризуется возбуждением рабочего вещества и соответствующей лазерной мощностью, что может осуществляться непрерывно в длительном диапазоне времени. Твердый лазер, возбуждаемый непрерывным источником света, и газовый лазер и полупроводниковый лазер, работающие от непрерывного электрического возбуждения, относятся к этому типу.

Из-за неизбежного эффекта перегрева устройств при непрерывной работе большинству из них необходимо принять надлежащие меры по охлаждению.

(2) лазер с одним импульсом, для этого типа лазера, материальные стимулы и соответствующее лазерное излучение, со времени, когда все это процесс одиночного импульса, применяют обычный твердотельный лазер, жидкий лазер, а также некоторые специальные газовые лазеры. таким образом, нагревательный эффект устройства в это время можно игнорировать, поэтому он не может принимать специальные меры охлаждения.

(3) лазер с повторяющимся импульсом, такие устройства характеризуются тем, что его выход представляет собой серию повторяющихся лазерных импульсов, следовательно, устройство может быть подходящим стимулом, в форме повторяющегося импульса или мотивации на основе процесса непрерывной модуляции лазерного колебания, но в Определенным образом, чтобы получить повторяющиеся импульсы лазерного излучения, обычно также требуются эффективные меры охлаждения, принимаемые к устройству.

(4) лазер, который конкретно относится к принятию определенной технологии переключения для достижения высокой выходной мощности импульсного лазера, его принцип работы находится в рабочем состоянии инверсии заселенности материи не делает его после формирования генерации генерации ( переключатель замкнут), после ожидания накопления частиц до достаточно высокого уровня, внезапно мгновенный переключатель, который может за относительно короткий промежуток времени (например, 10 ~ 10 секунд) образовать очень сильное лазерное колебание и мощный импульс лазера вывод (см. «\" class=link> лазерная технология).

(5) лазеры с синхронизацией мод, который является своего рода лазером специального типа, использующим технологию с синхронизацией мод, работа которого характерна для резонансного резонатора, имеет определенное фазовое соотношение между различными продольными модами, поэтому можно получить серию обзора с равным интервалом во времени ультракороткие импульсы лазера, длительность импульса от 10 до 10 секунд), если дополнительно использовать специальную технологию быстрого оптического переключения, из выбора последовательности одиночных импульсов ультракоротких лазерных импульсов (см. лазерную технологию с синхронизацией мод).

6 одномодовая и лазерная стабилизация частоты, одномодовый лазер относится к принятию определенного предела после того, как технология пресс-формы находится в состоянии одиночной поперечной моды или одиночной продольной модовой работы лазера, меры лазерной стабилизации частоты относятся к принятию определенное автоматическое управление длиной волны или стабильностью выходной лазерной волны с определенной точностью в рамках специальных лазерных устройств, в некоторых случаях также может быть превращено как в одномодовый режим, так и в специальный лазер, способный к устройствам автоматического контроля стабильности частоты (см. технология лазерной стабилизации частоты).

Как правило, выходная длина волны перестраиваемого лазера фиксирована, но выходная длина волны некоторых лазеров может изменяться в непрерывном и контролируемом диапазоне с помощью специальной техники настройки. Этот тип лазера называется перестраиваемым лазером (см. Технику лазерной настройки).

Диапазон диапазона

Различные типы лазеров можно разделить на следующие типы в соответствии с диапазоном длин волн выходного лазера.

Выходной диапазон длин волн дальнего инфракрасного лазера составляет от 25 до 1000 мкм. Выход лазера некоторых лазеров на молекулярном газе и лазеров на свободных электронах попадает в эту область.

Под nir-лазером понимается лазерное устройство, длина волны выходного лазерного излучения которого находится в средней инфракрасной области (2,5-25 микрон), который представлен лазером на молекулярном газе СО (10,6 микрона) и лазером на молекулярном газе СО (5-6 микрон).

Пассивный ближний инфракрасный лазер представляет собой лазерное устройство, длина волны выходного лазерного излучения которого находится в ближней инфракрасной области (0,75 ~ 2,5 мкм) и представлена ​​твердотельным лазером, легированным неодимом (1,06 мкм), полупроводниковым диодным лазером CaAs (около 0,8 мкм) и несколько газовых лазеров.

(4) видимый лазер, относится к длине волны выходного лазера в видимом спектральном диапазоне (4000 ~ 7000 или 0,4 ~ 0,7 микрон) лазерного устройства, представители для рубинового лазера (6943), he-ne-лазера (6328), аргона ионный лазер (4880, 5145), криптон-ионный лазер (4762, 5208, 5682, 6471) и некоторые из перестраиваемых лазеров на красителях и т. д.

Ближний ультрафиолетовый лазер, чей выходной лазерный диапазон длин волн находится в области ближнего ультрафиолетового спектра (2000-4000 ангстрем), представлен азотно-молекулярным лазером (3371 ангстрем), фторированным ксеноновым (XeF) эксимерным лазером (3511 ангстрем, 3531 ангстрем). , эксимерный лазер на криптонфториде (KrF) (2490 ангстрем) и некоторые перестраиваемые лазеры на красителях.

Диапазон длин волн выходного лазера находится в области вакуумного ультрафиолетового спектра (50-2000 ангстрем), представленной (H) молекулярным лазером (1644-1098 ангстрем), ксеноновым (Xe) эксимерным лазером (1730 ангстрем) и т. Д.

Мягкие рентгеновские лучи были разработаны, но все еще находятся в стадии исследования.

Ix. Основные цели

Лазер является одним из основных компонентов современной системы лазерной обработки.

С развитием технологии лазерной обработки, лазер развивался, и появилось много новых лазеров.

Лазеры для ранней лазерной обработки представляют собой мощные газовые лазеры на CO2 и твердотельные лазеры на YAG с накачкой.

Из истории развития технологии лазерной обработки, первый лазер появился в середине 1970-х годов с герметичной трубкой СО2-лазера. До настоящего времени появился СО2-лазер пятого поколения - СО2-лазер с диффузионным охлаждением.

Из разработки видно, что ранний CO2-лазер склонен к развитию направления улучшения мощности лазера. Однако, когда мощность лазера достигает определенного требования, к качеству луча лазера относятся серьезно, и развитие лазера переводится в качество луча высокой регулировки.

CO2-лазер с диффузионной охлаждающей решеткой, который появляется вблизи предела дифракции, имеет хорошее качество луча и широко используется, особенно в области лазерной резки, что предпочитают многие предприятия.

В начале 21 века появился еще один новый тип лазера - полупроводниковый лазер.

По сравнению с традиционным мощным твердотельным лазером на CO2 и YAG полупроводниковый лазер обладает очевидными техническими преимуществами, такими как упоминание о малом, малом весе, высокой эффективности, низком энергопотреблении, длительном сроке службы и высоком поглощении металлов полупроводникового лазера, с непрерывным развитием технологии полупроводникового лазера, полупроводниковый лазер на основе других твердотельных лазеров, таких как волоконные лазеры, полупроводниковый лазер накачки, таких как пластинчатый лазер также очень быстро.

Среди них быстро развиваются волоконные лазеры, особенно широко следует использовать волоконные лазеры, легированные редкоземельными элементами, в областях связи по волокну, распознавания волокон и лазерной обработки материалов.

Благодаря своим выдающимся характеристикам лазер используется во многих областях, таких как промышленность, сельское хозяйство, точные измерения и обнаружение, связь и обработка информации, медицинское обслуживание и военное дело, и сделал революционные прорывы во многих областях.

В военном деле лазер использовался для связи, ночного видения, раннего предупреждения, определения дальности и других аспектов, также использовалось разнообразное лазерное оружие и лазерное наведение.

1. Лазер используется в качестве источника тепла.

Лазерный луч мал и несет в себе огромное количество энергии. Например, фокусировка с помощью объектива может концентрировать энергию на крошечной области и генерировать огромное количество тепла.

Например, люди могут использовать концентрированную и чрезвычайно высокую энергию лазера для обработки различных материалов и просверлить 200 отверстий на игле.

В качестве средства стимулирования, изменения, прижигания и испарения биологических организмов лазер добился хороших результатов в практическом применении в медицине и сельском хозяйстве.

2. Лазерная локация.

Как дальномерный источник света, лазер может измерять очень большие расстояния благодаря хорошей направленности, высокой мощности и высокой точности.

3. Лазерная связь.

В связи, оптический кабель, который использует лазерный луч для передачи сигналов, может нести столько информации, сколько 20000 медных проводов.

4. Применение контролируемого сбора ядра в воздухе.

Стреляя лазером в смесь дейтерия и трития, лазер дает им огромное количество энергии, создавая высокое давление и высокую температуру, заставляя два ядра плавиться в гелий и нейтроны и одновременно высвобождая огромное количество энергии излучения. ,

Поскольку энергией лазера можно управлять, этот процесс называется контролируемым ядерным синтезом.

В будущем, с дальнейшими исследованиями и разработками лазерных технологий, производительность лазера будет еще больше улучшена, а стоимость будет дополнительно уменьшена, но область его применения будет расширяться, и он будет играть все более огромную роль.