Что такое твердотельные лазеры?

Твердотельные лазерыЭто лазер, светоизлучающей средой которого является твердый материал, обычно кристалл или стекло, легированный ионами редкоземельных или переходных металлов, а не жидкость или газ.

Твердотельные лазеры излучают лазерный свет в широком диапазоне длин волн: от ультрафиолетового (УФ) до инфракрасного (ИК), в зависимости от выбора легирующей примеси и состава кристалла или стекла. Выходная мощность может составлять от милливатт (мВт) до нескольких ватт (Вт) и даже выше, в зависимости от конкретной конструкции лазера, усиливающей среды и механизма накачки.

Твердотельные лазеры в основном состоят из двух частей: твердого основного материала и активных ионов, легированных в основной материал. Активные ионы должны обладать особыми свойствами, такими как резкие линии флуоресценции, широкие полосы поглощения и высокая квантовая эффективность на желаемой длине волны. С другой стороны, материал-хозяин должен обладать такими свойствами, как прочность, сопротивление разрушению, высокая теплопроводность и оптические качества.

После легирования редкоземельными ионами как стекло, так и кристаллические материалы проявляют желаемые свойства. Подходящие исходные материалы включают силикатное стекло, фосфатное стекло и различные кристаллические материалы, такие как гранат, алюминат, оксид металла, фторид, молибдат, вольфрамат и т. д. Обычно используемые активные ионы включают также редкоземельные ионы, такие как неодим, эрбий и гольмий. как переходные металлы, такие как хром, титан и никель.

Некоторые известные твердотельные лазеры включают рубиновые лазеры, лазеры Nd:YAG, лазеры на неодимовом стекле, лазеры на неодиме:Cr:GSGG, лазеры на эрбиевом стекле, лазеры на александрите и лазеры на титане:сапфире.

Твердотельные лазеры могут работать либо в режиме непрерывной волны (CW), который обеспечивает непрерывную выходную мощность лазера, либо в импульсном режиме, который производит короткие импульсы мощного лазерного света.

Создание твердотельных лазеров

Чтобы сделать твердотельный лазер, лазерный стержень необходимо установить рядом с дуговой лампой или лампой-вспышкой. Трубка лампы подключена к источнику питания. Лазерный стержень и трубка лампы расположены параллельно и окружены отражателем. На обоих концах резонатора лазера размещены высокоотражающее зеркало и выходной разветвитель. Для отвода избыточного тепла лазер охлаждается с помощью циркуляционной системы, обычно с помощью охлаждающей воды или смеси гликолей.

Энергетическая диаграмма твердотельного лазера
Активная среда твердотельных лазеров представляет собой твердый материал. Как правило, все твердотельные материалы подвергаются оптической накачке, то есть источник света используется в качестве источника энергии и подается на усиливающую среду. Поглотив энергию накачки, электроны в усиливающей среде возбуждаются на более высокий энергетический уровень. В возбужденном состоянии некоторые электроны перепрыгивают с более высокого энергетического уровня на определенный переносимый энергетический уровень.

По сравнению с другими возбужденными состояниями время жизни переходного состояния больше, поэтому оно может хранить и накапливать энергию. Когда электрон в переходном состоянии возвращается в основное состояние, высвобождается фотон с определенной энергией и длиной волны. Этот процесс называется вынужденным излучением и производит когерентный свет.

Генерируемые фотоны многократно отражаются между зеркалами или другими отражающими элементами в резонаторе лазера. Этот механизм обратной связи усиливает стимулированное излучение и создает интенсивный лазерный луч. Усиленный частичный луч выходит через один из частичных отражателей и формирует выходной сигнал лазера.

Выходной луч обычно имеет узкую ширину линии, которая характеризуется определенной длиной волны, связанной с разницей энергий между переходным состоянием и основным состоянием.

Преимущества твердотельных лазеров:
1. Твердотельные лазеры обычно не имеют потерь материала по сравнению с газовыми лазерами, поскольку лазерная среда находится в твердом состоянии. Активная среда твердотельного лазера, такая как кристалл или стекло, сохраняет свой состав и не расходуется и не истощается во время работы.
3. Твердотельные лазеры могут производить как непрерывную, так и импульсную мощность.
4. Их конструкция относительно проста.
Недостатки твердотельных лазеров:
1. Твердотельные лазеры менее эффективны в преобразовании входной энергии в выходную мощность лазера.
2. Расходимость лазерного луча непостоянна и может варьироваться от 1 до 20 миллирадиан.
3. Потеря мощности может произойти при перегреве лазерного стержня.

Применение твердотельных лазеров:
Твердотельные лазеры имеют широкий спектр применения в различных областях. Помимо спектроскопии и телекоммуникаций, твердотельные лазеры применяются в следующих областях:
Обработка материалов. Твердотельные лазеры широко используются для резки, сверления, сварки и гравировки различных материалов, таких как металлы, пластмассы, керамика и композиты. Они очень точны и могут выполнять задачи как макро-, так и микрообработки.
Медицина и биомедицина. Эти лазеры используются в таких медицинских процедурах, как лазерная хирургия, дерматология (например, удаление татуировок), офтальмология (например, коррекция зрения), стоматология и косметика. Они могут точно нацеливать и удалять ткани с минимальным повреждением окружающих участков.
Научные исследования: важные инструменты для научных исследований, включая спектроскопию, флуоресцентную визуализацию, ускорение частиц и изучение сверхбыстрых явлений. Они способны предоставить точно контролируемые источники света для изучения материалов и фундаментальных физических и химических процессов.
Оборона и безопасность. Эти лазеры используются в оборонных и охранных целях, включая лазерные целеуказатели, дальномеры, оружие направленной энергии и средства лазерного противодействия. Они обеспечивают точные и мощные источники света для военных, аэрокосмических и охранных целей.
Телекоммуникации: Твердотельные лазеры играют жизненно важную роль в волоконно-оптических системах связи, выступая в качестве оптических усилителей и источников света для передачи сигналов на большие расстояния с высокой скоростью передачи данных.

Контактная информация:

Если у вас есть какие-либо идеи, не стесняйтесь говорить с нами. Независимо от того, где находятся наши клиенты и каковы наши требования, мы будем следовать нашей цели, чтобы предоставить нашим клиентам высокое качество, низкие цены и лучший сервис.