หลักการทำงานและการประยุกต์ใช้เลเซอร์โซลิดสเตต

เลเซอร์แข็งเป็นเลเซอร์ที่ใช้วัสดุโซลิดเลเซอร์เป็นสารทำงาน เลเซอร์ทับทิมที่คิดค้นโดย TH Maiman ในปี 1960 เป็นเลเซอร์โซลิดสเตตและเป็นเลเซอร์ตัวแรกของโลก เลเซอร์แข็งโดยทั่วไปประกอบด้วยวัสดุการทำงานของเลเซอร์ แหล่งกำเนิดแรงกระตุ้น ช่องโฟกัส ตัวสะท้อนช่องเรโซแนนซ์ และแหล่งจ่ายไฟ

วัสดุการทำงานที่เป็นของแข็งที่ใช้ในเลเซอร์ประเภทนี้ทำขึ้นโดยการเติมไอออนของโลหะที่สามารถกระตุ้นการปล่อยก๊าซเข้าสู่คริสตัล ไอออนของโลหะมีสามประเภทหลักที่สามารถกระตุ้นการปล่อยก๊าซในของแข็ง: (1) ไอออนของโลหะทรานซิชัน (เช่น Cr3 บวก ); (2) ไอออนโลหะแลนทาไนด์ส่วนใหญ่ (เช่น Nd3 plus , Sm2 plus , Dy2 plus ฯลฯ ); (3) แอกทิเนียม เป็นไอออนของโลหะ (เช่น U3 บวก ) ลักษณะสำคัญของไอออนโลหะเหล่านี้ที่เจือลงในเมทริกซ์ของแข็งคือ: แถบสเปกตรัมการดูดกลืนแสงที่มีประสิทธิภาพค่อนข้างกว้าง, ประสิทธิภาพการเรืองแสงค่อนข้างสูง, อายุการใช้งานของการเรืองแสงค่อนข้างยาวนาน และเส้นสเปกตรัมเรืองแสงที่ค่อนข้างแคบ ดังนั้นจึงมีแนวโน้มที่จะเกิดการผกผันของจำนวนอนุภาคและการปล่อยก๊าซกระตุ้น ผลึกเทียมที่ใช้เป็นเมทริกซ์คริสตัลส่วนใหญ่ประกอบด้วย: คอรันดัม (NaAlSi2O6), โกเมนอลูมิเนียมอิตเทรียม (Y3Al5, O12), แคลเซียม tungstate (CaWO4), แคลเซียมฟลูออไรด์ (CaF2) ฯลฯ เช่นเดียวกับอิตเทรียมอะลูมิเนต (YAlO3), เบริลเลียมแลนทานัม กรด (La2Be2O5) ฯลฯ พื้นผิวแก้วที่ใช้ส่วนใหญ่เป็นแก้วแสงซิลิเกตคุณภาพสูง เช่น แก้วมงกุฎแบเรียมที่ใช้กันทั่วไปและแก้วมงกุฎแคลเซียม เมื่อเปรียบเทียบกับเมทริกซ์แบบผลึก คุณสมบัติหลักของเมทริกซ์แก้วคือความง่ายในการเตรียมและความพร้อมของวัสดุคุณภาพสูงในขนาดใหญ่ ข้อกำหนดหลักสำหรับพื้นผิวคริสตัลและแก้วคือ: การรวมตัวของไอออนโลหะเรืองแสงเพื่อการกระตุ้นได้ง่าย ลักษณะสเปกตรัมที่ดี ลักษณะการส่งผ่านแสง และความสม่ำเสมอของแสง (ดัชนีการหักเหของแสง) ในระดับสูง คุณสมบัติทางกายภาพที่เหมาะสำหรับการใช้งานเลเซอร์ในระยะยาวและคุณสมบัติทางเคมี (เช่น คุณสมบัติทางความร้อน คุณสมบัติป้องกันการย่อยสลาย ความคงตัวทางเคมี ฯลฯ) โดยทั่วไปแล้ว เลเซอร์คริสตัลจะแสดงด้วยทับทิม (Al2O3: Cr3 plus ) และอะลูมิเนียมโกเมนอิตเทรียมที่เจือด้วยนีโอไดเมียม (เรียกโดยย่อว่า YAG: Nd3 plus ) โดยทั่วไปแล้วเลเซอร์แก้วจะแสดงด้วยเลเซอร์แก้วนีโอไดเมียม

วัสดุงานเลเซอร์ที่เป็นของแข็ง

วัสดุในการทำงานของเลเซอร์โซลิดสเตตประกอบด้วยคริสตัลหรือแก้วใสที่มองเห็นได้เป็นวัสดุเมทริกซ์ ซึ่งเจือด้วยไอออนกระตุ้นหรือสารกระตุ้นอื่นๆ โดยทั่วไปสารออกฤทธิ์นี้ควรมีคุณสมบัติทางกายภาพและเคมีที่ดี มีเส้นสเปกตรัมเรืองแสงที่แคบ แถบการดูดกลืนแสงที่แข็งแกร่งและกว้าง และประสิทธิภาพควอนตัมเรืองแสงสูง

วัสดุการทำงานของเลเซอร์แก้วสามารถผลิตเป็นวัสดุขนาดใหญ่ที่สม่ำเสมอได้อย่างง่ายดาย และสามารถใช้ในเลเซอร์พลังงานสูงหรือพลังงานสูงสุดสูงได้ อย่างไรก็ตาม เส้นสเปกตรัมเรืองแสงนั้นกว้างกว่าและประสิทธิภาพเชิงความร้อนต่ำ จึงไม่เหมาะสำหรับการทำงานภายใต้พลังงานเฉลี่ยที่สูง แก้วนีโอไดเมียมทั่วไป ได้แก่ แก้วซิลิเกต ฟอสเฟต และฟลูออโรฟอสเฟต ในช่วงต้นทศวรรษ 1980 แก้วนีโอไดเมียมที่มีค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิดัชนีการหักเหของแสงเป็นลบได้รับการพัฒนาประสบความสำเร็จ ซึ่งสามารถใช้ในเลเซอร์พลังงานขนาดกลางและขนาดเล็กที่มีอัตราการเกิดซ้ำสูง

วัสดุการทำงานของคริสตัลเลเซอร์โดยทั่วไปมีคุณสมบัติทางความร้อนและทางกลที่ดีและมีเส้นสเปกตรัมเรืองแสงที่แคบ แต่เทคโนโลยีการเติบโตของคริสตัลเพื่อให้ได้วัสดุขนาดใหญ่คุณภาพสูงนั้นมีความซับซ้อน นับตั้งแต่ทศวรรษ 1960 เป็นต้นมา ผลึกออกไซด์และฟลูออไรด์มากกว่า 300 ชนิดเจือด้วยโลหะหายากหรือไอออนของโลหะทรานซิชัน ได้รับการสั่นด้วยเลเซอร์ ผลึกเลเซอร์ที่ใช้กันทั่วไป ได้แก่ ทับทิม (Cr:Al2O3 ความยาวคลื่น 6943 อังสตรอม) โกเมนอะลูมิเนียมอิตเทรียมเจือด้วยนีโอไดเมียม (Nd:Y3Al5O12 เรียกว่า Nd:YAG ความยาวคลื่น 1.064 ไมครอน) ฟลูออไรด์ลิเธียมอิตเทรียม (LiYF4 เรียกว่า YLF; Nd:YLF ความยาวคลื่น 1.047 หรือ 1.05 ไมครอน Ho:Er:Tm:YLF ความยาวคลื่น 2.06 ไมครอน) เป็นต้น

ตั้งแต่ปี 1973 เป็นต้นมา มีคริสตัลเลเซอร์ที่เปิดใช้งานตัวเองอีกประเภทหนึ่งเกิดขึ้น แอคติเวตไอออนของมันคือองค์ประกอบทางเคมีของคริสตัล ดังนั้นความเข้มข้นของแอคติเวตไอออนจึงสูงและจะไม่เกิดการดับเรืองแสง คริสตัลนี้มีอัตราขยายของเลเซอร์สูงและเกณฑ์การสกัดต่ำ พันธุ์หลักได้แก่ นีโอไดเมียมเพนตะฟอสเฟต (NdP5O14), ลิเธียมนีโอไดเมียมเตตระฟอสเฟต (NdLiP4O12) และอะลูมิเนียมบอเรตนีโอไดเมียม (NdAl3(BO4)3) ส่วนใหญ่ปลูกโดยวิธีเกลือหลอมเหลวและมีขนาดผลึกเล็ก จึงสามารถนำไปใช้ในเลเซอร์โซลิดสเตตขนาดเล็กได้

คริสตัลเลเซอร์แบบปรับได้หลายชนิดที่มีลักษณะการเรืองแสงแบบบรอดแบนด์ได้รับการพัฒนา เช่น ไครโซเบริลที่มีการเปลี่ยนผ่านโฟนอน (Cr:BeAl2O4, ความยาวคลื่น 0.701-0.815 ไมครอน ทำงานที่อุณหภูมิห้อง) นิกเกิล- แมกนีเซียมฟลูออไรด์ที่เจือ (Ni: MgF2, ความยาวคลื่น 1.6~1.8 ไมครอน, ทำงานที่อุณหภูมิต่ำ), ลิเธียมอิตเทรียมฟลูออไรด์ที่เจือด้วยซีเรียมด้วยการเปลี่ยน 5d→4f (Ce:YLF, ความยาวคลื่น 0.306 ~0.315 ไมครอน ตื่นเต้นด้วยเลเซอร์เอ็กไซเมอร์ ทำงานที่อุณหภูมิห้อง) และศูนย์กลางสีของคริสตัลอัลคาไลฮาไลด์เลเซอร์ (โพแทสเซียมคลอไรด์ที่ไม่มีการเจือหรือเจือ ลิเธียมฟลูออไรด์ ฯลฯ ความยาวคลื่น 0.8~3.9 ไมครอน ส่วนใหญ่ใช้งานได้ ที่อุณหภูมิต่ำ)

แหล่งกำเนิดการกระตุ้นด้วยเลเซอร์ที่เป็นของแข็ง

เลเซอร์แข็งใช้แสงเป็นแหล่งกระตุ้น แหล่งกระตุ้นพัลส์ที่ใช้กันทั่วไป ได้แก่ ไฟแฟลชที่ชาร์จซีนอน แหล่งที่มาของการกระตุ้นอย่างต่อเนื่อง ได้แก่ หลอดคริปทอนอาร์ค หลอดทังสเตนไอโอดีน หลอดโพแทสเซียมรูบิเดียม ฯลฯ ในเลเซอร์ขนาดเล็กที่มีอายุการใช้งานยาวนาน สามารถใช้ไดโอดเปล่งแสงแบบเซมิคอนดักเตอร์หรือแสงแดดเป็นแหล่งกระตุ้นได้ เลเซอร์โซลิดสเตตใหม่บางตัวยังใช้การกระตุ้นด้วยเลเซอร์

เนื่องจากสเปกตรัมการปล่อยแสงเพียงบางส่วนเท่านั้นที่ถูกดูดซับโดยวัสดุที่ใช้งาน บวกกับการสูญเสียอื่นๆ ประสิทธิภาพการแปลงพลังงานของเลเซอร์โซลิดสเตตจึงไม่สูง โดยทั่วไปจะอยู่ระหว่างไม่กี่ในพันถึงไม่กี่เปอร์เซ็นต์

ลักษณะเลเซอร์ที่เป็นของแข็ง

เลเซอร์โซลิดสามารถใช้เป็นแหล่งกำเนิดแสงที่มีพลังงานสูงและพลังงานสูงที่สอดคล้องกัน พลังงานเอาต์พุตของเลเซอร์พัลส์ทับทิมสามารถเข้าถึงระดับกิโลจูล ระบบเลเซอร์แก้วนีโอไดเมียมขยายแบบหลายขั้นตอนแบบสวิตช์ Q มีกำลังพัลส์สูงสุด 10 วัตต์ กำลังขับของเลเซอร์ต่อเนื่องโกเมนอลูมิเนียมอิตเทรียมสามารถเข้าถึงหลายร้อยวัตต์ และการเชื่อมต่อแบบหลายขั้นตอนสามารถเข้าถึงกิโลวัตต์

เลเซอร์โซลิดสเตตใช้เทคโนโลยีสวิตช์ Q (การปรับแสงที่มองเห็นได้) เพื่อรับพัลส์สั้นตั้งแต่นาโนวินาทีไปจนถึงหลายร้อยนาโนวินาที และใช้เทคโนโลยีการล็อคโหมดเพื่อรับพัลส์สั้นพิเศษตั้งแต่พิโควินาทีถึงหลายร้อยพิโควินาที

เนื่องจากความไม่สอดคล้องกันทางแสงของวัสดุทำงานและเหตุผลอื่น ๆ เอาท์พุตของเลเซอร์โซลิดสเตตทั่วไปจึงเป็นโหมดหลายโหมด หากเลือกวัสดุทำงานที่มีความสม่ำเสมอทางแสงที่ดีและช่องเรโซแนนซ์ได้รับการออกแบบอย่างระมัดระวังและดำเนินมาตรการทางเทคนิคอื่นๆ เลเซอร์โหมดขวางพื้นฐาน (TEM{2}}) ที่มีมุมการเบี่ยงเบนของลำแสงใกล้กับขีดจำกัดการเลี้ยวเบนสามารถรับได้ และสามารถรับเลเซอร์โหมดตามยาวเพียงอันเดียวได้

การใช้งานและแนวโน้มของเลเซอร์โซลิดสเตต

เลเซอร์โซลิดสเตตมีการใช้งานที่หลากหลายในสาขาการวิจัยทางการทหาร การแปรรูป การแพทย์ และวิทยาศาสตร์ มักใช้ในการกำหนดขอบเขต การติดตาม คำแนะนำ การเจาะ การตัดและการเชื่อม การหลอมวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ การประมวลผลระดับไมโครของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ การตรวจจับบรรยากาศ การวิจัยทางสเปกโทรสโกปี การผ่าตัดและการผ่าตัดเกี่ยวกับจักษุ การวินิจฉัยพลาสมา โฮโลแกรมชีพจร และเลเซอร์ฟิวชั่น ฯลฯ . . เลเซอร์โซลิดสเตตยังใช้เป็นแหล่งกระตุ้นสำหรับเลเซอร์สีย้อมแบบปรับค่าได้

แนวโน้มการพัฒนาเลเซอร์โซลิดสเตตคือความหลากหลายของวัสดุและอุปกรณ์ รวมถึงการค้นหาความยาวคลื่นใหม่และวัสดุการทำงานใหม่ที่มีความยาวคลื่นในการทำงานที่ปรับได้ ปรับปรุงประสิทธิภาพการแปลงของเลเซอร์ เพิ่มกำลังขับ ปรับปรุงคุณภาพลำแสง การบีบอัด ความกว้างของพัลส์ ปรับปรุงความน่าเชื่อถือ และยืดอายุการทำงาน

ข้อมูลติดต่อ:

หากคุณมีความคิดใด ๆ โปรดพูดคุยกับเรา ไม่ว่าลูกค้าของเราจะอยู่ที่ไหนและความต้องการของเราคืออะไร เราจะปฏิบัติตามเป้าหมายของเราเพื่อให้ลูกค้าของเราได้รับคุณภาพสูง ราคาต่ำ และบริการที่ดีที่สุด