Введення та застосування широко використовуваних основних лазерів

З моменту появи першого твердотільного імпульсного рубінового лазера розвиток лазерів був дуже швидким, і продовжували з’являтися лазери з різними робочими матеріалами та режимами роботи. Лазери класифікуються за різними ознаками:

1. За режимом роботи він поділяється на: безперервний лазер, квазібезперервний лазер, імпульсний лазер та ультракороткий імпульсний лазер.

Лазерне випромінювання безперервного лазера є безперервним і широко використовується в галузі лазерного різання, зварювання та наплавлення. Його робоча характеристика полягає в тому, що збудження робочої речовини та відповідний вихід лазера можуть тривати безперервно протягом тривалого періоду часу. Оскільки ефект перегріву пристрою часто неминучий під час безперервної роботи, у більшості випадків необхідно вжити відповідних заходів для охолодження.

Імпульсний лазер має велику вихідну потужність і підходить для лазерного маркування, різання, вимірювання дальності тощо. Його робочі характеристики включають стиснення енергії лазера для формування вузької ширини імпульсу, високу пікову потужність і регульовану частоту повторення, головним чином включаючи Q-перемикання, блокування режиму , MOPA та інші методи. Оскільки ефект перегріву та ефект відколу кромки можна ефективно зменшити шляхом збільшення потужності одного імпульсу, це в основному використовується в тонкій обробці.

2. Відповідно до робочого діапазону, він поділяється на: інфрачервоний лазер, лазер видимого світла, ультрафіолетовий лазер і рентгенівський лазер.

Лазери середнього інфрачервоного діапазону – це в основному 10,6 мкм CO2-лазери, які широко використовуються;

Лазери ближнього інфрачервоного діапазону широко використовуються, включаючи 1064~1070 нм у сфері лазерної обробки; 1310 і 1550 нм в області оптоволоконного зв'язку; 905 нм і 1550 нм в області лідарної локації; 878 нм, 976 нм тощо для насосів;

Оскільки лазери видимого світла можуть подвоювати частоту від 532 нм до 1064 нм, зелені лазери 532 нм широко використовуються в лазерній обробці, медичних додатках тощо;

УФ-лазери в основному включають 355 нм і 266 нм. Оскільки ультрафіолет є джерелом холодного світла, його в основному використовують для тонкої обробки, маркування, медичних застосувань тощо.

3. За робочим середовищем він поділяється на: газовий лазер, волоконний лазер, твердотільний лазер, напівпровідниковий лазер тощо.

3.1 Газові лазери в основному включають лазери CO2, які використовують молекули газу CO2 як робоче середовище. Їхні лазерні довжини хвилі становлять 10,6 мкм і 9,6 мкм.

головна особливість:

- Довжина хвилі підходить для обробки неметалевих матеріалів, що компенсує проблему, що волоконний лазер не може обробляти неметали, і має відмінні характеристики від обробки волоконним лазером у полі обробки;

- Ефективність перетворення енергії становить приблизно 20% ~ 25%, безперервна вихідна потужність може досягати рівня 104 Вт, вихідна енергія імпульсу може досягати рівня 104 Джоулів, а ширину імпульсу можна стиснути до рівня наносекунд;

- Довжина хвилі знаходиться прямо в атмосферному вікні та набагато менш шкідлива для людського ока, ніж видиме світло та інфрачервоне світло 1064 нм.

Він широко використовується в обробці матеріалів, зв’язку, радіолокації, індукованих хімічних реакціях, хірургії тощо. Його також можна використовувати для індукованих лазером термоядерних реакцій, лазерного розділення ізотопів і лазерної зброї.

3.2 Волоконний лазер відноситься до лазера, який використовує скловолокно, леговане рідкоземельними елементами, як середовище підсилення. Завдяки чудовій продуктивності та характеристикам, а також перевагам у вартості, на даний момент це найбільш широко використовуваний лазер. Особливості такі:

(1) Хороша якість променя: хвилевідна структура оптичного волокна визначає те, що волоконний лазер легко одержує одномодовий вихідний сигнал у поперечній моді, на нього незначно впливають зовнішні фактори та може досягти високої яскравості лазерного випромінювання.

(2) Вихідний лазер має багато довжин хвиль: це тому, що рівні енергії рідкоземельних іонів дуже багаті, і існує багато типів рідкоземельних іонів;

(3) Висока ефективність: загальна електрооптична ефективність комерційних волоконних лазерів становить 25%, що сприяє зниженню витрат, енергозбереженню та захисту навколишнього середовища.

(4) Хороші характеристики розсіювання тепла: скляний матеріал має надзвичайно низьке співвідношення об’єму до площі, швидке розсіювання тепла та низькі втрати, тому ефективність перетворення висока, а поріг лазера низький;

(5) Компактна структура та висока надійність: у резонансній порожнині немає оптичної лінзи, яка має такі переваги, як відсутність регулювання, обслуговування та висока стабільність, яка не має собі рівних у традиційних лазерів;

(6) Низькі витрати на виробництво: скляне оптичне волокно має низьку вартість виробництва, розвинену технологію та переваги мініатюризації та інтенсифікації, викликані змотуванням оптичного волокна.

Волоконні лазери мають широкий спектр застосувань, включаючи лазерний волоконний зв'язок, лазерний космічний міжміський зв'язок, промислове суднобудування, виробництво автомобілів, лазерне гравірування, лазерне маркування, лазерне різання, друкарські ролики, військова оборона та безпека, медичне обладнання та обладнання та як насоси для інших лазерів Pu Yuan і так далі.

3.3 Робочим середовищем твердотільних лазерів є ізолюючі кристали, які зазвичай збуджуються оптичним накачуванням.

YAG-лазери (кристал ітрієвого алюмінієвого гранату, легованого рубідієм) зазвичай використовують криптонові або ксенонові лампи як лампи накачки, оскільки лише кілька певних довжин хвиль світла накачки будуть поглинатися іонами Nd, і більша частина енергії буде перетворена в теплову енергію. Зазвичай ефективність перетворення енергії лазера YAG низька. І повільна швидкість обробки поступово замінюється волоконними лазерами.

Новий твердотільний лазер, потужний твердотільний лазер з накачуванням напівпровідниковим лазером. Перевагами є висока ефективність перетворення енергії, ефективність електрооптичного перетворення напівпровідникових лазерів досягає 50%, що набагато вище, ніж у спалахів; реактивне тепло, що утворюється під час роботи, невелике, температура середовища стабільна, і його можна перетворити на повністю затверділий пристрій, усуваючи вплив вібрації, а лінія лазерного спектру вужча, краща стабільність частоти; тривалий термін служби, проста структура і легкість у використанні.

Основна перевага твердотільних лазерів перед волоконними полягає в тому, що енергія одиночного імпульсу вища. У поєднанні з ультракороткою імпульсною модуляцією безперервна потужність зазвичай перевищує 100 Вт, а пікова імпульсна потужність може досягати 109 Вт. Але, оскільки приготування робочого середовища складніше, воно дорожче.

Основна довжина хвилі становить 1064 нм у ближньому інфрачервоному діапазоні, а твердотільний лазер 532 нм, твердотільний лазер 355 нм і твердотільний лазер 266 нм можна отримати шляхом подвоєння частоти.

3.4 Напівпровідниковий лазер, також відомий як лазерний діод, — це лазер, який використовує напівпровідникові матеріали як робочу речовину.

Напівпровідникові лазери не вимагають складних резонансних структур, тому вони дуже підходять для мініатюризації та полегшення потреб. Коефіцієнт фотоелектричного перетворення високий, термін служби довгий і не потребує обслуговування. Він часто використовується для вказівки, відображення, діапазону зв'язку та інших випадків. Він також часто використовується як джерело накачування для інших лазерів. Лазерні діоди, лазерні покажчики та інші звичні продукти використовують напівпровідникові лазери.