Die Lasertechnologie ist in allen Bereichen in das Leben der Menschen eingedrungen, aber es gibt viele Arten von Lasergeneratoren, jeder mit unterschiedlichen Wellenlängen und unterschiedlichen Eigenschaften, sodass auch die Anwendungsbereiche unterschiedlich sind. Ich glaube, dass die meisten Menschen angesichts der komplizierten Arten von Lasergeneratoren ein wenig Kopfschmerzen verspüren. Daher fasst dieser Artikel die Merkmale und praktischen Anwendungen verschiedener Arten von Lasergeneratoren nacheinander zusammen und erklärt sie.
Je nach Arbeitsmedium werden Lasergeneratoren in sechs Typen unterteilt: Festkörper-, Gas-, Farbstoff-, Dioden-, Faser- und Freie-Elektronen-Lasergeneratoren. Darunter gibt es viele Unterteilungen von Festkörper- und Gaslasern. Mit Ausnahme von Freie-Elektronen-Lasern sind die grundlegenden Arbeitsprinzipien verschiedener Laser gleich, einschließlich Pumpquelle, optischem Resonator und Verstärkungsmedium.
Festkörperlasergenerator
Bei Festkörperlasergeneratoren wird Licht im Allgemeinen als Pumpquelle verwendet, und der Kristall oder das Glas, das Licht erzeugen kann, wird als Arbeitsmaterial bezeichnet. Das Material besteht aus einer Matrix und einem aktivierten Ion. Das Matrixmaterial bietet dem aktivierten Ion eine geeignete Existenz- und Arbeitsumgebung, und das aktivierte Ion vervollständigt den Lasererzeugungsprozess. Häufig verwendete aktive Ionen sind hauptsächlich Übergangsmetallionen wie Chrom, Kobalt, Nickel und andere Ionen sowie Seltenerdmetallionen wie Neodymionen. Die mit dielektrischen Filmen beschichteten Spiegel werden als Resonatorspiegel verwendet, von denen einer ein Vollspiegel und der andere ein Halbspiegel ist. Bei Verwendung unterschiedlicher aktivierter Ionen, unterschiedlicher Matrixmaterialien und unterschiedlicher Wellenlängen der Lichtanregung werden verschiedene Laser mit unterschiedlichen Wellenlängen emittiert.
Die vom Rubinlasergenerator ausgegebene Laserwellenlänge beträgt 694.3 nm und die photoelektrische Umwandlungsrate ist niedrig, nur 0.1 %. Allerdings ist seine Fluoreszenzlebensdauer lang, was der Energiespeicherung förderlich ist, und er kann eine hohe Impulsspitzenleistung abgeben. Der von einem Rubinstab mit der Dicke eines Stiftkerns und einem langen Finger erzeugte Laser kann leicht in das Eisenblech eindringen. Vor dem Aufkommen effizienterer YAG-Lasersysteme wurden Rubinlasersysteme häufig in Laser schneiden und Bohren. Darüber hinaus wird 694 nm-Licht leicht von Melanin absorbiert, daher werden Rubinlaser auch zur Behandlung von pigmentierten Läsionen (Hautflecken) verwendet.
Aufgrund seiner Kristalleigenschaften verfügt der Ti:Saphir-Lasergenerator über einen weiten abstimmbaren Bereich (d. h. den abstimmbaren Wellenlängenbereich) und kann je nach Bedarf Licht mit einer Wellenlänge von 660 nm bis 1200 nm ausgeben. In Verbindung mit der ausgereiften Frequenzverdopplungstechnologie (die die Lichtfrequenz verdoppeln, d. h. die Wellenlänge halbieren kann) kann der Wellenlängenbereich auf 330 nm bis 600 nm erweitert werden. Titan-Saphir-Lasersysteme werden in der Femtosekundenspektroskopie, in der nichtlinearen Optikforschung, bei der Erzeugung von weißem Licht, bei der Erzeugung von Terahertzwellen usw. eingesetzt und finden auch Anwendung in der medizinischen Schönheitsmedizin.
YAG ist die Abkürzung für Yttrium-Aluminium-Granat, die derzeit beste Laserkristallmatrix. Nach der Dotierung mit Neodym (Nd) kann es 1064nm Licht, und die maximale kontinuierliche Ausgangsleistung kann 1000 W erreichen. Früher wurde eine Blitzlampe mit Inertgas als Pumpquelle verwendet, aber die Blitzlampenpumpmethode hat einen breiten Spektralbereich, passt schlecht zum Absorptionsspektrum des Verstärkungsmediums und hat eine große thermische Belastung, was zu einer niedrigen photoelektrischen Umwandlungsrate führt. Daher können jetzt durch die Verwendung von LD-Pumpen (Laserdioden) eine hohe Effizienz, hohe Leistung und lange Lebensdauer erreicht werden. Nd:YAG-Lasergeneratoren können zur Behandlung von Hämangiomen eingesetzt werden und das Tumorwachstum hemmen. Die thermische Schädigung des Gewebes ist jedoch nicht selektiv. Während die Blutgefäße des Tumors koaguliert werden, schädigt die überschüssige Energie auch das umliegende normale Gewebe, und nach der Operation bleiben leicht Narben zurück. Daher werden Nd:YAG-Laser hauptsächlich in der Chirurgie, Gynäkologie und HNO verwendet, weniger jedoch in der Dermatologie.
Yb:YAG, Ytterbium (Yb) wird in YAG dotiert, das Licht von 1030 nm ausgeben kann. Die Pumpwellenlänge von Yb:YAG beträgt 941 nm, was sehr nahe an der Ausgangswellenlänge liegt, wodurch eine Pumpquanteneffizienz von 91.4 % erreicht werden kann, und die von der Pumpe erzeugte Wärme wird auf innerhalb von 10% (der größte Teil der Eingangsenergie wird in Ausgangsenergie umgewandelt, ein kleiner Teil wird in Wärme umgewandelt, was bedeutet, dass die Umwandlungseffizienz sehr hoch ist), die 25 % bis 30% von Nd:YAG. Yb:YAG hat sich zu einem der attraktivsten Festkörperlasermedien entwickelt, und LD-gepumpte Hochleistungs-Yb:YAG-Festkörperlasergeneratoren haben sich zu einem neuen Forschungsschwerpunkt entwickelt und gelten als eine der Hauptrichtungen der Entwicklung hocheffizienter, leistungsstarker Festkörperlasergeneratoren.
Zusätzlich zu den beiden oben genannten kann YAG auch mit Holmium (Ho), Erbium (Er) usw. dotiert werden. Ho:YAG erzeugt augensichere 2097 nm- und 2091 nm-Laser, hauptsächlich für optische Kommunikation, Radar und medizinische Anwendungen. Er:YAG gibt Licht von 2.9 μm ab, und der menschliche Körper hat eine hohe Absorptionsrate dieser Wellenlänge, was ein großes Anwendungspotenzial für Laserchirurgie und Gefäßchirurgie bietet.
Gaslasergenerator
Gaslasergeneratoren sind Lasersysteme, die Gas als Verstärkungsmedium verwenden und im Allgemeinen Gasentladungen pumpen. Zu den Gasarten gehören atomare Gase (Helium-Neon, Edelgasionen und Metalldampf), molekulare Gase (Stickstoff und Kohlendioxid) und Excimergase. Sie werden durch chemische Reaktionen erzeugt.
Der HeNe-Lasergenerator (HeNe) verwendet als Verstärkungsmedium eine Mischung aus 75 % oder mehr He und 15 % oder weniger Ne. Abhängig von der Arbeitsumgebung kann er Grün (543.5 nm), Gelb (594.1 nm), Orange (612.0 nm), Rot (632.8 nm) und 3 Arten von Nahinfrarotlicht (1152 nm, 1523 nm und 3391 nm) emittieren, von denen Rotlicht (632.8 nm) am häufigsten verwendet wird. Der vom HeNe-Lasergenerator ausgegebene Strahl hat eine Gauß-Verteilung und die Strahlqualität ist sehr stabil. Obwohl die Leistung nicht hoch ist, weist er im Bereich der Präzisionsmessung eine gute Leistung auf.
Die üblichen Edelgaslasergeneratoren sind Argonionen (Ar+) und Kryptonionen (Kr+). Seine Energieumwandlungsrate kann bis zu 0.6 % erreichen, und er kann über lange Zeit kontinuierlich und stabil eine Leistung von 30–50 W abgeben, und seine Lebensdauer übersteigt 1000 Stunden. Wird hauptsächlich in der Laseranzeige, Raman-Spektroskopie, Holografie, nichtlinearen Optik und anderen Forschungsfeldern sowie in der medizinischen Diagnose, Druckfarbseparation, Messmaterialverarbeitung und Informationsverarbeitung verwendet.
Metalldampflasergeneratoren verwenden Kupferdampf als Beispiel. Der Kupferdampflasergenerator gibt hauptsächlich grünes Licht (510.5 nm) und gelbes Licht (578.2 nm) aus und kann eine Durchschnittsleistung von 100 W und eine Spitzenleistung von 100 kW erreichen. Sein Hauptanwendungsbereich ist die Pumpquelle von Farbstofflasergeneratoren. Darüber hinaus kann er auch für Hochgeschwindigkeits-Blitzlichtfotografie, Großbildprojektionsfernseher und Materialverarbeitung verwendet werden.
Der Stickstoff-Molekularlasergenerator verwendet Stickstoff als Verstärkungsmedium, das ultraviolettes Licht von 337.1 nm, 357.7 nm und 315.9 nm emittieren kann und dessen Spitzenleistung 45 kW erreichen kann. Er kann als Pumplichtquelle für organische Farbstofflasergeneratoren verwendet werden und wird auch häufig bei der Lasertrennung von Isotopen, der Fluoreszenzdiagnose, der Ultrahochgeschwindigkeitsfotografie, der Schadstofferkennung, in der Medizin und Gesundheitsfürsorge sowie in der landwirtschaftlichen Zucht eingesetzt. Da sich seine kurze Wellenlänge leichter fokussieren lässt, um einen kleinen Punkt zu erhalten, kann er auch zur Verarbeitung von Submikrometerkomponenten verwendet werden.
Das im CO2 Lasergenerator ist Kohlendioxid, gemischt mit Helium und Stickstoff, das Ferninfrarotlicht mit Wellenlängen von 9.6 μm und 10.6 μm abgeben kann. Der Generator hat eine hohe Energieumwandlungsrate, die Ausgangsleistung kann von mehreren Watt bis zu Zehntausenden von Watt reichen, und die extrem hohe Strahlqualität macht den CO2 Lasergenerator, der in der Materialverarbeitung, der wissenschaftlichen Forschung, der Landesverteidigung und der Medizin weit verbreitet ist. Sie werden verschiedene CO2 Laserschneider und Lasergravierer zum Gravieren und Schneiden von Holz, MDF, Sperrholz, Stoff, Leder, Glas, Kunststoff und Acryl in Ihrem täglichen Leben und Geschäft.
Excimere sind instabile Moleküle, die mit Mischungen verschiedener Edelgase und Halogengase im Resonator gefüllt sind, um Laser unterschiedlicher Wellenlängen zu erzeugen. Die Anregung erfolgt üblicherweise durch relativistische Elektronenstrahlen (Energie größer als 200 keV) oder durch transversale schnelle Impulsentladungen. Wenn die instabilen Molekülbindungen des angeregten Excimers aufgebrochen und in Grundzustandsatome dissoziiert werden, wird die Energie des angeregten Zustands in Form von Laserstrahlung freigesetzt. Excimere werden häufig in der Medizin, der optischen Kommunikation, Halbleiteranzeigen, Fernerkundung, Laserwaffen und anderen Bereichen eingesetzt.
Ein chemischer Lasergenerator ist ein spezieller Typ von Gaslasersystem, das die durch chemische Reaktionen freigesetzte Energie nutzt, um eine Teilchenzahlumkehr zu erreichen. Die meisten von ihnen arbeiten im molekularen Übergangsmodus und der typische Wellenlängenbereich liegt im nahen bis mittleren Infrarot-Spektralbereich. Die wichtigsten sind Fluorwasserstoff- (HF) und Deuteriumfluorid- (DF) Geräte. Ersteres kann mehr als 15 Spektrallinien zwischen 2.6 und 3.3 Mikrometer ausgeben; letzteres hat etwa 25 Spektrallinien zwischen 3.5 und 4.2 Mikrometer. Beide Geräte können derzeit mehrere Megawatt Leistung erbringen. Aufgrund ihrer enormen Energie werden sie im Allgemeinen in der Nukleartechnik und im Militärbereich eingesetzt.
Farbstofflasergenerator
Farbstofflasergeneratoren verwenden als Lasermedium einen organischen Farbstoff, meist eine flüssige Lösung. Farbstofflasergeneratoren können im Allgemeinen in einem größeren Wellenlängenbereich eingesetzt werden als gasförmige und Festkörperlasermedien. Aufgrund ihrer großen Bandbreite eignen sie sich besonders für abstimmbare und gepulste Lasergeneratoren. Aufgrund der kurzen Lebensdauer des Mediums und der begrenzten Ausgangsleistung wird er jedoch grundsätzlich durch wellenlängenabstimmbare Festkörperlaser wie Titan-Saphir-Laser ersetzt.
Diodenlasergenerator
Ein Diodenlasergenerator ist ein Lasersystem, das Halbleitermaterialien als Arbeitssubstanz verwendet. Es gibt drei Anregungsmodi: elektrische Injektion, Elektronenstrahlanregung und optisches Pumpen. Kleine Größe, niedriger Preis, hohe Effizienz, lange Lebensdauer, geringer Stromverbrauch, kann in den Bereichen elektronische Informationen, Laserdruck, Laserpointer, optische Kommunikation, Laserfernsehen, kleiner Laserprojektor, elektronische Informationen, integrierte Optik und anderen Bereichen verwendet werden.
Faserlaser-Generator
Faserlasergenerator bezeichnet einen Lasersystemtyp, der mit Seltenerdelementen dotierte Glasfasern als Verstärkungsmedium verwendet. Er wird häufig beim Drucken, Markieren, Gravieren, Bohren, Schneiden, Reinigen, Schweißen (Löten, Wasserabschrecken, Plattieren und Tiefschweißen) von Metallen und Nichtmetallen, im Militär, in der Verteidigung und Sicherheit, in der medizinischen Ausrüstung, in großen Infrastrukturen und als Pumpe für andere Laserquellen eingesetzt. Sie werden treffen Faserlasergravierer für personalisierte Texte und Muster, Faserlaserschneider für die Metallverarbeitung, Faserlaser-Reinigungsmaschinen zum Entrosten, Entlacken und Entfernen von Beschichtungen, Faserlaser-Schweißmaschinen für Metallverbindungen in Ihrem Leben.
Freie-Elektronen-Lasergenerator
Der Freie-Elektronen-Lasergenerator ist eine neue Art von kohärenter Strahlungsquelle mit hoher Leistung, die sich von herkömmlichen Lasergeneratoren unterscheidet. Er benötigt kein Gas, keine Flüssigkeit oder keinen Feststoff als Arbeitsmaterial, sondern wandelt die kinetische Energie des hochenergetischen Elektronenstrahls direkt in kohärente Strahlungsenergie um. Daher kann man auch davon ausgehen, dass der Arbeitsstoff des Freie-Elektronen-Lasergenerators freie Elektronen sind. Er verfügt über eine Reihe hervorragender Eigenschaften wie hohe Leistung, hohe Effizienz, große Wellenlängenabstimmungsspanne und Zeitstruktur ultrakurzer Impulse. Abgesehen davon gibt es keinen Lasergenerator, der diese Eigenschaften gleichzeitig aufweisen kann. Er bietet erhebliche Aussichten in den Bereichen physikalische Forschung, Laserwaffen, Laserfusion, Photochemie und optische Kommunikation.
