Introducción a la teoría, clasificación y aplicación del láser.

Láseres: dispositivos que emiten láseres.

El primer amplificador cuántico de microondas se fabricó en 1954, y el haz de microondas era altamente coherente.

En 1958, A.L. scholl y C.H. Tuns aplicó el principio de los amplificadores cuánticos de microondas al rango de frecuencias de luz. En 1960, T.H. Maiman y col. hizo el primer láser de rubí.

En 1961, a. Jarvin y col. Hizo un láser he-ne.

En 1962, R.N. hall et al. creó láseres semiconductores de arseniuro de galio.

En el futuro, habrá más y más tipos de láser.

Según el medio de trabajo, el láser se puede dividir en cuatro categorías: láser de gas, láser sólido, láser de semiconductores y láser de colorante.

Recientemente, se han desarrollado láseres de electrones libres. Los láseres de alta potencia generalmente son pulsados.

I. principio:

Todos los tipos de láser tienen los mismos principios operativos básicos, excepto el láser de electrones libre. La condición esencial para producir láser es la inversión del número de partículas y la ganancia sobre la pérdida. Por lo tanto, el componente indispensable del dispositivo tiene dos partes: fuente de excitación (o bombeo) y medio de trabajo con nivel de energía metaestable.

La excitación es la excitación del medio de trabajo después de absorber energía extraña al estado excitado, para lograr y mantener las condiciones de inversión del número de partículas.

Existen incentivos ópticos, eléctricos, químicos y nucleares.

El nivel de energía subestable del medio de trabajo hace que la radiación estimulada sea dominante, y así se realiza la amplificación óptica.

Los componentes comunes de un láser incluyen una cavidad resonante, pero la cavidad (ver la cavidad óptica) no es un componente esencial. La cavidad permite que los fotones en la cavidad tengan una frecuencia, fase y dirección de funcionamiento consistentes, lo que le da al láser una buena directividad y coherencia.

Además, puede acortar la longitud del material de trabajo y ajustar el modo del láser producido al cambiar la longitud de la cavidad (es decir, la selección del modo). Por lo tanto, la mayoría de los láseres tienen cavidad resonante.

Sustancia de trabajo láser

El término se refiere al sistema de sustancias utilizado para realizar la inversión del número de partículas y generar luz por amplificación de radiación estimulada, a veces también llamada medio de ganancia láser, pueden ser sólidos (cristal, vidrio), gas (gas atómico, gas iónico, gas molecular), semiconductores y medio líquido.

El requisito principal para el material de trabajo del láser es lograr un alto grado de inversión del número de partículas entre los niveles de energía específicos de las partículas de trabajo y mantener la inversión lo más efectiva posible durante todo el proceso de emisión del láser.

Por lo tanto, se requiere que la sustancia de trabajo tenga una estructura de nivel de energía y características de transición adecuadas.

3. Sistema de bombeo de excitación.

Significa un mecanismo o dispositivo que proporciona energía para que una sustancia de trabajo con láser realice y mantenga una inversión del número de partículas.

Dependiendo de la sustancia de trabajo y las condiciones de funcionamiento del láser, se pueden adoptar diferentes métodos y dispositivos de excitación.

Accionamiento óptico (bomba de luz).

Todo el dispositivo de excitación generalmente se compone de fuentes de luz de descarga de gas (como lámpara de xenón, lámpara de criptón) y concentrador. Este método de excitación también se llama bomba de lámpara.

, excitación por descarga de gas.

El dispositivo de excitación completo generalmente está compuesto por el electrodo de descarga y la fuente de alimentación de descarga.

Química.

La inversión del número de partículas se logra utilizando el proceso de reacción química que ocurre en la sustancia de trabajo, que generalmente requiere reactivos químicos apropiados y las medidas de iniciación correspondientes.

Energía nuclear.

Los fragmentos de fisión, las partículas de alta energía o la radiación producida por pequeñas reacciones de fisión nuclear se utilizan para excitar el material de trabajo y realizar la inversión del número de partículas.

Cavidad óptica

Generalmente está compuesto por dos espejos con ciertas propiedades geométricas y ópticas.

El efecto es proporcionar retroalimentación óptica para que los fotones de radiación excitados viajen hacia adelante y hacia atrás en la cavidad muchas veces para formar oscilaciones continuas coherentes.

La dirección y la frecuencia de los haces oscilantes en la cavidad están limitadas para garantizar que el láser de salida sea direccional y monocromático.

El efecto de la cavidad está determinado por la forma geométrica (radio de curvatura de la superficie reflectante) y la combinación relativa de los dos espejos que generalmente constituyen la cavidad.

Las fuerzas están determinadas por las características de pérdida selectiva de diferentes direcciones de movimiento y diferentes frecuencias de luz en un tipo de cavidad dada.

Existen muchos tipos de láser.

En la siguiente parte, se presentará la clasificación de la sustancia de trabajo del láser, el modo de excitación, el modo de operación y el rango de longitud de onda de salida.

Sustancia de trabajo

Todos los láseres se pueden dividir en las siguientes categorías según los diferentes estados físicos de la sustancia de trabajo: el resto láser sólido (cristal y vidrio).

El láser gaseoso es un gas, y se puede dividir aún más en láser de gas atómico, láser de gas iónico, láser de gas molecular y láser de gas excimer de acuerdo con las diferentes propiedades de las partículas de trabajo en el gas que realmente generan emisión estimulada.

Las sustancias de trabajo adoptadas por este tipo de láser incluyen una solución orgánica de tinte fluorescente y una solución de compuesto inorgánico que contiene iones de metales de tierras raras, en el que los iones metálicos (como Nd) actúan como partículas de trabajo y los líquidos compuestos inorgánicos (como SeOCl2) actúan como sustrato.

(4) láser semiconductor, el láser es un papel de material semiconductor como sustancia de trabajo producida por la emisión estimulada de radiación, cuyo principio es a través de ciertos incentivos (bomba de inyección eléctrica, inyección de luz o haz de electrones de alta energía), entre el intervalo de banda de material semiconductor o entre la banda y el nivel de impureza, al estimular el portador y el equilibrio de la inversión de la población, el papel de la luz se produce por la emisión estimulada de radiación;

(5) láser de electrones libres, este es un tipo especial de nuevo tipo de láser, material de trabajo para cambios periódicos en el espacio del movimiento de alta velocidad en el haz de electrones libres direccional del campo magnético, siempre que la velocidad de cambio del haz de electrones libres puede producir radiación electromagnética coherente sintonizable, en principio, el espectro de radiación coherente puede pasar de las longitudes de onda de rayos X al área de microondas, por lo que es muy tentador.

Vi. Incentivos

Bomba de luz láser.

Se refiere a los láseres que son bombeados por la luz, incluidos casi todos los láseres sólidos y líquidos, así como algunos láseres de gas y semiconductores.

Un láser excitado eléctricamente.

La mayoría de los láseres de gas son excitados por la descarga de gas (descarga de CC, descarga de CA, descarga de pulso, inyección de haz de electrones), mientras que los láseres de semiconductores más comunes se energizan por inyección de corriente de unión. Algunos láseres semiconductores también pueden excitarse mediante inyección de haz de electrones de alta energía.

Láseres químicos.

Este es un láser que UTILIZA la energía liberada por las reacciones químicas para excitar el material de trabajo. Las reacciones químicas pueden ser activadas por la luz, descargadas o activadas químicamente, respectivamente.

Es la bomba nuclear láser.

Un tipo de láser especial, como un láser de helio-argón con bomba nuclear, que UTILIZA la energía liberada por una pequeña reacción de fisión nuclear para excitar el material de trabajo.

Vii. Modo de operación

Debido a los diferentes materiales de trabajo, modos de excitación y propósitos de aplicación, el modo de operación y el estado de trabajo del láser son diferentes, que se pueden dividir en los siguientes tipos principales.

El láser continuo se caracteriza por la excitación de la sustancia de trabajo y la salida láser correspondiente, que puede llevarse a cabo de forma continua en un rango de tiempo largo. El láser sólido excitado por la fuente de luz continua y el láser de gas y el láser de semiconductores operados por la excitación eléctrica continua son de este tipo.

Debido al inevitable efecto de sobrecalentamiento de los dispositivos en funcionamiento continuo, la mayoría de ellos deben tomar las medidas de enfriamiento adecuadas.

(2) un láser de pulso único, para este tipo de láser, los incentivos materiales y la emisión láser correspondiente, desde el momento en que todo es un proceso de pulso único, el láser de estado sólido general, el láser líquido, así como algún láser de gas especial, adoptan De esta manera, el efecto de calentamiento del dispositivo en este momento puede ignorarse, por lo que no puede tomar medidas especiales de enfriamiento.

(3) láser de pulso repetitivo, tales dispositivos se caracterizan por su salida es una serie de pulso láser repetido, por lo tanto, el dispositivo puede ser incentivos apropiados, en forma de pulso repetitivo o motivación sobre la base del proceso de oscilación láser de modulación continua pero en de cierta manera, para obtener una salida de pulso láser repetitiva, generalmente también se requieren medidas de enfriamiento efectivas para el dispositivo.

(4) el láser, que se refiere específicamente a la adopción de una determinada tecnología de interruptor para lograr una salida de alta potencia del láser pulsado, su principio de funcionamiento está en el estado de trabajo de la materia de inversión de población, no lo hace después de la formación de la oscilación láser ( interruptor está cerrado), después de esperar que las partículas se acumulen a un nivel suficientemente alto, el interruptor instantáneo repentino, que puede ser en un período de tiempo relativamente corto (10 ~ 10 segundos, por ejemplo) forma una oscilación láser muy fuerte y un láser de pulso de alta potencia salida (ver '\"clase = enlace> tecnología láser).

(5) los láseres de modo bloqueado, que es un tipo de tecnología de bloqueo de modo de tipo láser especial, cuyo trabajo es característico por la cavidad de resonancia tiene una relación de fase definida entre los diferentes modos longitudinales, por lo tanto, puede obtener una serie de vistas igualmente espaciadas en el tiempo láser de pulso ultracorto, ancho de pulso de 10 a 10 segundos), si además adopta una tecnología especial de interruptor óptico rápido, a partir de la selección de una secuencia de pulso único de pulsos láser ultracortos (consulte la tecnología láser de modo bloqueado).

6 modo único y la estabilización de frecuencia del láser, el láser de modo único se refiere a la adopción de un cierto límite después de que la tecnología del molde se encuentre en un estado de funcionamiento transversal único o modo longitudinal único del láser, las medidas de estabilización de frecuencia del láser se refieren a la adopción de un cierto control automático de la longitud de onda de salida del láser o la estabilidad de la frecuencia con cierta precisión dentro del alcance de los dispositivos láser especiales, en algunos casos, también se puede convertir en operación monomodo y láser especial capaz de dispositivos automáticos de control de estabilidad de la frecuencia (ver el tecnología de estabilización de frecuencia láser).

En general, la longitud de onda de salida de un láser sintonizable es fija, pero la longitud de onda de salida de algunos láseres se puede cambiar en un rango continuo y controlable mediante el uso de una técnica de ajuste especial. Este tipo de láser se llama láser sintonizable (consulte la técnica de sintonización láser).

Rango de banda

Los diferentes tipos de láseres se pueden dividir en los siguientes tipos de acuerdo con el rango de longitud de onda del láser de salida.

El rango de longitud de onda de salida del láser de infrarrojo lejano está entre 25 ~ 1000 micras. La salida del láser de algunos láser de gas molecular y láser de electrones libres cae en esta área.

El láser nir se refiere a un dispositivo láser cuya longitud de onda de láser de salida está en la región del infrarrojo medio (2.5 ~ 25 micras), que está representado por el láser de gas molecular CO (10.6 micras) y el láser de gas molecular CO (5 ~ 6 micras).

El láser pasivo de infrarrojo cercano es un dispositivo láser cuya longitud de onda láser de salida está en la región del infrarrojo cercano (0,75 ~ 2,5 micras), representada por láser sólido dopado con neodimio (1,06 micras), láser de diodo semiconductor de CaAs (aproximadamente 0,8 micras) y Algunos láseres de gas.

(4) el láser visible, se refiere a la longitud de onda del láser de salida en el rango espectral visible (4000 ~ 7000 o 0.4 ~ 0.7 micras) del dispositivo láser, representantes del láser de rubí (6943), láser de he-ne (6328), argón láser de iones (4880, 5145), láser de iones de criptón (4762, 5208, 5682, 6471) y algunos de los láser de colorante sintonizables, etc.

El láser ultravioleta cercano, cuyo rango de longitud de onda del láser de salida está en la región del espectro ultravioleta cercano (2000-4000 angstroms), está representado por láser de nitrógeno molecular (3371 angstroms) láser excimer de xenón fluorado (XeF) (3511 angstroms, 3531 angstroms) , láser excímero de fluoruro de criptón (KrF) (2490 angstroms) y algunos láseres de tinte ajustables.

El rango de longitud de onda del láser de salida está en la región del espectro ultravioleta al vacío (50 ~ 2000 angstrom), representado por láser molecular (H) (1644 ~ 1098 angstrom), láser excimer de xenón (Xe) (1730 angstrom), etc.

Se han desarrollado rayos X suaves, pero todavía están en la etapa exploratoria.

Ix. Propósitos principales

El láser es uno de los componentes esenciales del sistema de procesamiento láser moderno.

Con el desarrollo de la tecnología de procesamiento láser, el láser se ha desarrollado y han aparecido muchos láseres nuevos.

Los primeros láseres de procesamiento láser son láser de gas CO2 de alta potencia y láser YAG sólido bombeado con luz.

A partir de la historia de desarrollo de la tecnología de procesamiento láser, el primer láser surgió a mediados de la década de 1970 con un tubo láser de CO2 sellado. Hasta ahora, ha surgido el láser de CO2 de quinta generación: láser de CO2 enfriado por difusión.

Del desarrollo se puede ver que el láser de CO2 temprano está inclinado hacia la dirección de desarrollo para mejorar la potencia del láser. Sin embargo, cuando la potencia del láser alcanza un cierto requisito, la calidad del haz del láser se toma en serio, y el desarrollo del láser se transfiere a la calidad del haz de alto ajuste.

El láser de CO2 de lamas de enfriamiento por difusión que aparece cerca del límite de difracción tiene una buena calidad de haz y ha sido ampliamente utilizado, especialmente en el campo del corte por láser, que es el preferido por muchas empresas.

A principios del siglo XXI, surgió otro nuevo tipo de láser: el láser semiconductor.

En comparación con el láser sólido de CO2 y YAG de alta potencia tradicional, el láser semiconductor tiene las ventajas técnicas obvias, como la mención de pequeño, peso ligero, alta eficiencia, bajo consumo de energía, larga vida útil y alta absorción de metal del láser semiconductor, con el desarrollo continuo De la tecnología de láser de semiconductores, el láser de semiconductores basado en otro láser sólido, como los láseres de fibra, el láser de estado sólido de la bomba de semiconductores, como el desarrollo de láser de losa, también es muy rápido.

Entre ellos, los láseres de fibra se desarrollaron rápidamente, especialmente los láseres de fibra dopada de tierras raras deben usarse ampliamente en los campos de comunicación de fibra, detección de fibra y procesamiento de material con láser.

Debido a sus características sobresalientes, el láser se ha utilizado en muchos campos, como la industria, la agricultura, la medición y detección de precisión, el procesamiento de comunicación e información, el tratamiento médico y militar, y ha logrado avances revolucionarios en muchos campos.

En las fuerzas armadas, el láser se ha utilizado para comunicaciones, visión nocturna, alerta temprana, alcance y otros aspectos, también se ha utilizado una variedad de armas láser y armas de guía láser.

1. El láser se utiliza como fuente de calor.

El rayo láser es pequeño y lleva una gran cantidad de energía. Centrarse en una lente, por ejemplo, puede concentrar energía en un área pequeña y generar grandes cantidades de calor.

Por ejemplo, las personas pueden usar la energía concentrada y extremadamente alta del láser para procesar diversos materiales y perforar 200 agujeros en una aguja.

Como un medio para causar estimulación, variación, cauterización y vaporización en organismos biológicos, el láser ha logrado buenos resultados en la aplicación práctica de la medicina y la agricultura.

2. Rango láser.

Como fuente de luz de búsqueda de alcance, el láser puede medir distancias muy lejanas debido a su buena directividad, alta potencia y alta precisión.

3. Comunicación láser.

En las comunicaciones, un cable óptico que UTILICE un rayo láser para transmitir señales puede transportar tanta información como 20,000 alambres de cobre.

4. Aplicación de núcleos controlados reunidos en el aire.

Al disparar el láser en una mezcla de deuterio y tritio, el láser les da grandes cantidades de energía, produciendo alta presión y alta temperatura, haciendo que los dos núcleos se fusionen en helio y neutrones, y liberando grandes cantidades de energía de radiación al mismo tiempo. .

Dado que la energía del láser se puede controlar, el proceso se llama fusión nuclear controlada.

En el futuro, con una mayor investigación y desarrollo de la tecnología láser, el rendimiento del láser mejorará aún más y el costo se reducirá aún más, pero su rango de aplicación se ampliará aún más y desempeñará un papel cada vez más importante.