Твердотельный лазер

<час />

Фон

Лазер, который является аббревиатурой от Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, представляет собой устройство, преобразующее электрическую или оптическую энергию в свет. Электрическая или оптическая энергия используется для возбуждения атомов или молекул, которые затем излучают монохроматический (с одной длиной волны) свет. Лазер состоит из резонатора с плоскими или сферическими зеркалами на концах, заполненного материалом, пригодным для лазерной резки. Этот материал можно возбуждать до полустабильного состояния светом или электрическим разрядом. Материал может быть кристаллом, стеклом, жидкостью, красителем или газом, если его можно возбуждать таким образом. В твердотельном лазере используется кристалл, атомы которого жестко связаны, в отличие от газа. Кристалл излучает лазерный свет после того, как свет накачивается в него лампой или другим лазером.

Самый простой резонатор имеет два зеркала:одно полностью отражает, а второе отражает от 50 до 99%. Когда свет отражается между этими зеркалами, интенсивность увеличивается. Поскольку лазерный свет распространяется в том же направлении, что и интенсивный луч, лазер излучает очень яркий свет. Лазерные лучи также могут проецироваться на большие расстояния и фокусироваться на очень маленьком пятне.

Тип зеркала определяет тип луча. Очень яркий, высокомонохроматический и когерентный луч получается, когда одно зеркало пропускает только 1-2% света. Если используются плоские зеркала, луч сильно коллимирован (параллелен). При использовании вогнутых зеркал луч выходит около одного конца резонатора. Тип луча в первом случае делает лазеры очень полезными в медицине, поскольку эти свойства позволяют врачу более точно нацеливать желаемую область, избегая повреждения окружающих тканей.

Один из способов возбудить атомы до более высокого энергетического уровня - осветить лазерный материал светом с более высокой частотой, чем лазерный свет. В этих твердотельных лазерах, также известных как оптическая накачка, используется стержень из твердого кристаллического материала с полированными плоскими и параллельными концами, покрытыми зеркалами для отражения лазерного света. Ионы взвешены в кристаллической матрице и при возбуждении испускают электроны.

Стороны стержня оставлены свободными, чтобы пропускать свет от лампы накачки, который может быть импульсным газовым разрядом, создающим мигающий свет. Первый твердотельный лазер использовал стержень из розового рубина и искусственный кристалл сапфира. Сегодня используются два распространенных твердотельных лазера:Nd:YAG (неодим:иттрий-алюминиевый гранат) и Nd:стекло. Оба используют криптоновые или ксеноновые лампы-вспышки для оптической накачки. Могут быть получены яркие вспышки света мощностью до тысяч ватт, а срок службы составляет около 10 000 часов.

Поскольку лазерный свет может быть сфокусирован в точную точку с большой интенсивностью, небольшой импульсный лазер может генерировать достаточно тепла для испарения различных материалов. Таким образом, лазеры используются в различных процессах удаления материала, включая механическую обработку. Например, рубиновые лазеры используются для сверления отверстий в алмазах для штампов для волочения проволоки и в сапфирах для подшипников для часов.

История

Идея лазеров была впервые предложена Альбертом Эйнштейном, который показал, что свет состоит из безмассовых частиц, называемых фотонами. Каждый фотон имеет энергию, соответствующую частоте волн. Чем выше частота, тем большую энергию переносят волны. Эйнштейн и другой ученый по имени С. Н. Боз затем разработали теорию явления, при котором фотоны имеют тенденцию перемещаться вместе. Это принцип, лежащий в основе лазера.

Впервые лазерное воздействие в микроволновом диапазоне было продемонстрировано в 1954 году лауреатом Нобелевской премии Чарльзом Таунсом и его сотрудниками. Они проецировали пучок молекул аммиака через систему фокусирующих электродов. Когда микроволновая мощность соответствующей частоты пропускалась через резонатор, происходило усиление, и родился термин микроволновое усиление за счет вынужденного излучения излучения (M.A.S.E.R.). Термин «лазер» был впервые введен в употребление в 1957 году физиком Гордоном Гулдом.

Год спустя Таунс работал с Артуром Шавловым, и они оба предложили лазер, получив патент в 1960 году. В том же году Теодор Майман, физик из Hughes Research Laboratories, изобрел первый практический лазер. Этот лазер был твердотельного типа, в котором использовался розовый кристалл рубина, окруженный импульсной трубкой, заключенной в полированный алюминиевый цилиндрический резонатор, охлаждаемый принудительным воздухом. Рубиновый цилиндр отполировали с обоих концов до параллельности с точностью до одной трети длины волны света. Каждый конец был покрыт напыленным серебром. Этот лазер работал в импульсном режиме. Два года спустя был изготовлен непрерывный рубиновый лазер путем замены лампы-вспышки на дуговую лампу.

После того, как лазер Маймана был успешно продемонстрирован, другие исследователи попробовали множество других субстратов и редкоземельных элементов, включая эрбий, неодим и даже уран. Были испытаны подложки из иттрий-алюминиевого граната, стекла и фторида кальция. Разработка мощных лазерных диодов (устройства, которое формирует когерентный световой поток с использованием электродов или полупроводников) в 1980-х годах привело к созданию полностью твердотельных лазеров в непрерывном режиме, которые были более эффективными, компактными и надежными. Диодная технология улучшилась в течение 1990-х годов, в конечном итоге увеличив выходную мощность твердотельных лазеров до уровня в несколько киловатт.

Nd:YAG и рубиновые лазеры в настоящее время используются во многих промышленных, научных и медицинских приложениях, наряду с другими твердотельными лазерами, в которых используются кристаллы другого типа. Nd:YAG-лазеры также используются для мониторинга загрязнения, сварки и других целей. Этот тип кристаллов является наиболее широко используемым - более двух третей выращенных кристаллов относятся к этому типу. Другие выращиваемые кристаллы включают Nd:YVO4 (ортованадат иттрия), Nd:стекло и Er:YAG.

Сырье

Оптические, механические и электронные компоненты из различных материалов (кристаллы, металлы, полупроводники и т. Д.) Обычно поставляются другими производителями. Аутсорсинг варьируется от производителя лазера к производителю. Твердотельный лазер состоит из двух основных компонентов, или «ящиков». Один компонент содержит оптику (лазерный кристалл и зеркала), а другой - электронику (источник питания, внутренние органы управления). Иногда эти два компонента объединены в одну коробку.

Дизайн

Конструкция резонатора лазера определяется применением. Обычно дизайн разрабатывается группой исследований и разработок. Эта конструкция определяет рабочие характеристики, включая мощность, длину волны и другие свойства луча. Конструкторы также внедрили функции безопасности, как того требует Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA).

Производственный процесс

• 1 Обычно все или большинство компонентов производятся в другом месте. Например, производители кристаллов предоставляют материал для генерации. Чтобы вырастить кристалл Nd:YAG, высокочистый оксидный порошковый состав желаемых элементов помещается в тигель и плавится в радиочастотной печи при высоких температурах. Затем затравочный кристалл приводится в контакт с поверхностью жидкости. Когда затравочный кристалл медленно поднимают, вращают и слегка охлаждают, монокристалл желаемого состава появляется со скоростью около 0,02 дюйма (0,5 мм) в час.

  Типичные кристаллы Nd:YAG имеют диаметр 2,4-3,1 дюйма (60-80 мм) и длину 6,9-8,9 дюйма (175-225 мм). Стержни, пластины и пластины различной геометрии извлекаются из выращенного кристалла, затем изготавливаются, полируются и покрываются в соответствии с требованиями заказчика. Готовая продукция варьируется от стержней диаметром от 0,02 дюйма (0,5 мм) до 1 дюйма (25 мм). Твердотельный лазер состоит из резонатора с плоскими или сферическими зеркалами на каждом конце, заполненного кристаллом, чьи атомы жестко связаны. После того, как свет накачивается в него лампой или другим лазером, кристалл излучает свет, который отражается между зеркалами, увеличивая интенсивность и давая очень яркий свет. от длины до плиты размером 0,3 x 1,5 дюйма (8 x 37 мм) в поперечном сечении и длиной 9,2 дюйма (235 мм). Наиболее распространенная геометрия стержня Nd:YAG представляет собой прямоугольный круговой цилиндр.

Сборка

• 2 После проектирования лазера и получения компонентов оптика интегрируется с механическими компонентами. Техник следует чертежу, размещая оптические компоненты в желаемых положениях, используя металлические держатели или монтажные приспособления. Эта процедура выполняется в чистой комнате, чтобы избежать загрязнения оптических компонентов.

Выравнивание

• 3 Затем лазерный резонатор выравнивается так, чтобы он работал в соответствии с желаемыми характеристиками. Это выполняется на испытательном столе другим техником с использованием другого лазера для облегчения юстировки.

Заключительное тестирование

• 4 Перед отправкой лазера заказчику он проходит этап, называемый конечным тестированием, в ходе которого проверяется правильность работы лазера, включая выходную мощность, качество луча и другие характеристики. Лазер проработает несколько часов, чтобы убедиться, что он прошел проверку.

Контроль качества

Большинство производителей лазеров следуют международным стандартам качества, которые обеспечивают обратную связь на протяжении всего производственного процесса. Лазер также проходит несколько основных процедур тестирования, как описано ранее.

Все лазерные устройства, распространяемые в Соединенных Штатах, должны быть сертифицированы как соответствующие федеральному стандарту характеристик лазерных продуктов, и перед их распространением конечным пользователям необходимо сообщить об этом в Центр контроля качества устройств и радиологического здоровья (CDRH). Этот стандарт производительности определяет функции безопасности и маркировку, которые должны иметь все лазеры для обеспечения надлежащей безопасности пользователей. Перед выпуском на рынок каждый лазер должен быть сертифицирован на соответствие стандарту. Сертификация означает, что каждое устройство прошло проверку качества, соответствующую стандарту производительности. Сертифицирующие лазеры берут на себя ответственность за отчетность и уведомление о любых проблемах с лазером.

Побочные продукты / отходы

Поскольку поставщики различных компонентов обычно соблюдают общие процедуры управления качеством, производитель лазеров не проверяет компоненты на наличие дефектов, и количество отходов мало. При обнаружении дефектных компонентов их иногда отправляют обратно производителю.

Будущее

Разрабатываются твердотельные лазеры, которые имеют более высокую мощность, более быстрые, имеют более короткие длины волн и лучшее качество луча, что расширяет сферу их применения. Например, разрабатываются материалы для генерации, которые смогут сжать многие миллиарды импульсов за одну секунду, в результате чего фемтосекундные лазеры будут доставлять десятки импульсов за каждую наносекунду. Твердотельные лазеры, которые могут обеспечивать мощность на уровне тераватт или петаватт, также проходят испытания на предмет ядерных реакций с потенциалом использования в приложениях ядерной медицины, таких как сканирование с помощью компьютерной томографии. Nd:YAG-лазеры все более широко используются в электронной промышленности для сверления, пайки и обрезки. Кристаллы генерации продолжают работать дольше.

Ожидается, что мировой рынок лазерных систем вырастет с 4,7 млрд долларов в 2000 году до 8 млрд долларов в 2005 году, при этом объем рынка твердотельных лазеров превысит 1,1 млрд долларов по сравнению с 4,6 млрд долларов для диодных лазеров. Твердотельные лазеры заменяют лазеры на красителях, ионные и гелий-неоновые лазеры на некоторых рынках. По прогнозам других аналитиков, твердотельные лазеры с ламповой накачкой вырастут до 660 миллионов долларов, а твердотельные лазеры с диодной накачкой - до 312 миллионов долларов к 2003 году. Последний тип лазеров станет более популярным для таких промышленных приложений, как маркировка общего назначения и обработка материалов, например затраты снижаются, и становятся доступными более высокие мощности. Эти лазеры также разрабатываются с минимальным обслуживанием.