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Introduzione alla teoria, classificazione e applicazione del laser

numero Sfoglia:2     Autore:Editor del sito     Pubblica Time: 2019-09-18      Origine:motorizzato

Laser: dispositivi che emettono laser.

Il primo amplificatore quantistico a microonde fu realizzato nel 1954 e il raggio a microonde era altamente coerente.

Nel 1958, A.L. scholl e C.H. i tuns hanno applicato il principio degli amplificatori quantistici a microonde alla gamma di frequenze luminose. Nel 1960, T.H. maiman et al. realizzato il primo laser rubino.

Nel 1961, a. jarvin et al. fatto un laser he-ne.

Nel 1962, R.N. hall et al. creato laser a semiconduttore all'arseniuro di gallio.

In futuro, ci saranno sempre più tipi di laser.

Secondo il mezzo di lavoro, il laser può essere suddiviso in quattro categorie: laser a gas, laser solido, laser a semiconduttore e laser a colorante.

Di recente sono stati sviluppati laser a elettroni liberi. I laser ad alta potenza sono solitamente pulsati.

I. principio:

Tutti i tipi di laser hanno gli stessi principi operativi di base tranne il laser a elettroni liberi. La condizione essenziale per la produzione del laser è l'inversione del numero di particelle e il guadagno rispetto alla perdita. Pertanto, il componente indispensabile del dispositivo ha due parti: sorgente di eccitazione (o pompaggio) e mezzo di lavoro con livello di energia metastabile.

L'eccitazione è l'eccitazione del mezzo di lavoro dopo aver assorbito energia estranea allo stato eccitato, per raggiungere e mantenere le condizioni di inversione del numero di particelle.

Ci sono incentivi ottici, elettrici, chimici e nucleari.

Il livello di energia variabile del mezzo di lavoro rende dominante la radiazione stimolata, realizzando così l'amplificazione ottica.

I componenti comuni di un laser includono una cavità risonante, ma la cavità (vedere la cavità ottica) non è un componente essenziale. La cavità consente ai fotoni nella cavità di avere una frequenza, una fase e una direzione operativa coerenti, dando così al laser una buona direttività e coerenza.

Inoltre, può accorciare la lunghezza del materiale di lavoro e regolare la modalità del laser prodotta modificando la lunghezza della cavità (cioè selezione della modalità). Pertanto, la maggior parte dei laser ha cavità risonante.

Sostanza di lavoro laser

Il termine si riferisce al sistema di sostanza utilizzato per realizzare l'inversione del numero di particelle e generare luce mediante l'amplificazione della radiazione stimolata, a volte anche chiamato mezzo di guadagno laser, possono essere solidi (cristallo, vetro), gas (gas atomico, gas ionico, gas molecolare), semiconduttore e mezzo liquido.

Il requisito principale per il materiale di lavoro laser è ottenere un elevato grado di inversione del numero di particelle tra i livelli specifici di energia delle particelle di lavoro e mantenere l'inversione il più efficace possibile durante l'intero processo di emissione laser.

Pertanto, è necessario che la sostanza di lavoro abbia una struttura adeguata del livello di energia e caratteristiche di transizione.

3. Sistema di pompaggio di eccitazione

Significa un meccanismo o dispositivo che fornisce energia affinché una sostanza che lavora il laser possa realizzare e mantenere un'inversione del numero di particelle.

A seconda della sostanza di lavoro e delle condizioni operative del laser, è possibile adottare diversi metodi e dispositivi di eccitazione.

Azionamento ottico (pompa della luce).

L'intero dispositivo di eccitazione è generalmente composto da sorgenti luminose a scarica di gas (come lampada allo xeno, lampada krypton) e concentratore. Questo metodo di eccitazione è anche chiamato pompa della lampada.

, eccitazione di scarico di gas.

L'intero dispositivo di eccitazione è generalmente composto dall'elettrodo di scarica e dall'alimentazione di scarica.

Chimica.

L'inversione del numero di particelle si ottiene utilizzando il processo di reazione chimica che si verifica nella sostanza di lavoro, che di solito richiede reagenti chimici appropriati e corrispondenti misure di innesco.

Energia nucleare.

Frammenti di fissione, particelle ad alta energia o radiazioni prodotte da piccole reazioni di fissione nucleare vengono utilizzate per eccitare il materiale di lavoro e realizzare l'inversione del numero di particelle.

Cavità ottica

Di solito è composto da due specchi con determinate proprietà geometriche e ottiche.

L'effetto è quello di fornire un feedback ottico in modo che i fotoni di radiazione eccitati viaggino più volte avanti e indietro nella cavità per formare oscillazioni continue coerenti.

La direzione e la frequenza dei raggi oscillanti nella cavità sono limitate per garantire che il laser di uscita sia direzionale e monocromatico.

L'effetto cavità è determinato dalla forma geometrica (raggio di curvatura della superficie riflettente) e dalla relativa combinazione dei due specchi che di solito costituiscono la cavità.

Le forze sono determinate dalle caratteristiche di perdita selettiva di diverse direzioni di movimento e diverse frequenze di luce in un dato tipo di cavità.

Esistono molti tipi di laser.

Nella parte seguente verranno introdotte la classificazione della sostanza di lavoro laser, la modalità di eccitazione, la modalità operativa e l'intervallo di lunghezze d'onda di uscita.

Sostanza di lavoro

Tutti i laser possono essere suddivisi nelle seguenti categorie in base ai diversi stati fisici della sostanza di lavoro: il resto laser solido (cristallo e vetro).

Il laser gassoso è un gas e può essere ulteriormente suddiviso in laser a gas atomico, laser a gas ionico, laser a gas molecolare e laser a gas ad eccimeri in base alle diverse proprietà delle particelle di lavoro nel gas che effettivamente generano emissioni stimolate.

Le sostanze di lavoro adottate da questo tipo di laser includono una soluzione di colorante fluorescente organica e una soluzione di composto inorganico contenente ioni di metallo delle terre rare, in cui gli ioni metallici (come Nd) agiscono come particelle di lavoro e liquidi composti inorganici (come SeOCl2) fungono da substrato.

(4) laser a semiconduttore, il laser ha un ruolo materiale semiconduttore come sostanza di lavoro prodotta dall'emissione stimolata di radiazioni, il cui principio è attraverso determinati incentivi (pompa di iniezione elettrica, iniezione di fascio di luce o di energia ad alta energia), tra il gap di banda di materiale semiconduttore o tra banda e livello di impurità, stimolando il vettore e l'equilibrio dell'inversione della popolazione, il ruolo della luce è prodotto dall'emissione stimolata di radiazioni;

(5) laser a elettroni liberi, questo è un tipo speciale di nuovo tipo di laser, materiale di lavoro per cambiamenti periodici nello spazio del movimento ad alta velocità nel raggio di elettroni liberi direzionale del campo magnetico, purché la velocità di cambiamento del fascio di elettroni liberi può produrre radiazioni elettromagnetiche coerenti sintonizzabili, in linea di principio lo spettro delle radiazioni coerenti può passare dalle lunghezze d'onda dei raggi X all'area delle microonde, quindi sono prospettive molto allettanti.

Vi. Incentivi

Laser per pompa di luce.

Si riferisce a laser pompati dalla luce, compresi quasi tutti i laser solidi e liquidi, nonché alcuni laser a gas e semiconduttori.

Un laser elettricamente eccitato.

La maggior parte dei laser a gas sono eccitati dalla scarica di gas (scarica a corrente continua, scarica a corrente alternata, scarica a impulsi, iniezione di fascio di elettroni), mentre la maggior parte dei comuni laser a semiconduttore sono eccitati dall'iniezione di corrente di giunzione. Alcuni laser a semiconduttore possono anche essere eccitati dall'iniezione di fascio di elettroni ad alta energia.

Laser chimici.

Questo è un laser che utilizza l'energia rilasciata dalle reazioni chimiche per eccitare il materiale di lavoro. Le reazioni chimiche possono essere innescate rispettivamente dalla luce, scaricate o innescate chimicamente.

È il laser della pompa nucleare.

Un tipo di laser speciale, come un laser elio-argon pompato nucleare, che UTILIZZA l'energia rilasciata da una piccola reazione di fissione nucleare per eccitare il materiale di lavoro.

Vii. Modalità di funzionamento

A causa dei diversi materiali di lavoro, delle modalità di eccitazione e degli scopi dell'applicazione, la modalità di funzionamento e lo stato di funzionamento del laser sono diversi, che possono essere suddivisi nei seguenti tipi principali.

Il laser continuo è caratterizzato dall'eccitazione della sostanza di lavoro e dalla corrispondente emissione laser, che può essere eseguita continuamente in un lungo intervallo di tempo. Il laser solido eccitato dalla sorgente di luce continua e il laser a gas e il laser a semiconduttore azionati dall'eccitazione elettrica continua sono di questo tipo.

A causa dell'inevitabile effetto di surriscaldamento dei dispositivi in ​​funzionamento continuo, la maggior parte di essi deve adottare adeguate misure di raffreddamento.

(2) un singolo impulso laser, per questo tipo di laser, incentivi materiali e corrispondente emissione laser, dal momento in cui tutto è un processo di singolo impulso, il laser a stato solido generale, il laser liquido, così come alcuni laser a gas speciali, adottano in questo modo, l'effetto di riscaldamento del dispositivo in questo momento può essere ignorato, quindi non può prendere misure di raffreddamento speciali.

(3) laser a impulsi ripetitivi, tali dispositivi sono caratterizzati dalla sua uscita è una serie di impulsi laser ripetuti, pertanto, il dispositivo può essere incentivi adeguati, sotto forma di impulso ripetitivo o motivazione sulla base del processo di oscillazione laser a modulazione continua ma in un certo modo, per ottenere un'emissione laser ad impulsi ripetitivi, di solito richiede anche misure di raffreddamento efficaci per il dispositivo.

(4) il laser, che si riferisce specificamente all'adozione di una certa tecnologia di commutazione per ottenere un'elevata potenza di uscita del laser a impulsi, il suo principio di funzionamento è nello stato di lavoro della materia di inversione della popolazione non lo fa dopo la formazione dell'oscillazione laser ( l'interruttore è chiuso), dopo aver atteso che le particelle si accumulino a un livello sufficientemente elevato, un interruttore improvvisamente istantaneo, che può essere in un periodo di tempo relativamente breve (10 ~ 10 secondi, ad esempio) formare un'oscillazione laser molto forte e un laser ad impulsi ad alta potenza output (vedi '\"class = link> tecnologia laser).

(5) laser a blocco di modalità, che è un tipo di tecnologia di blocco a modalità utilizzata da un tipo speciale di laser, il cui lavoro è caratteristico della cavità di risonanza ha una relazione di fase definita tra diverse modalità longitudinali, pertanto è possibile ottenere una serie di viste equidistanti in sequenze temporali di impulsi laser ultracorti, larghezza degli impulsi da 10 a 10 secondi), se adotta ulteriormente una speciale tecnologia di commutazione ottica veloce, dalla selezione di una sequenza di impulsi singoli di impulsi laser ultracorti (vedere tecnologia laser con blocco della modalità).

6 modalità singola e stabilizzazione della frequenza del laser, il laser modalità singola si riferisce all'adozione di un certo limite dopo che la tecnologia dello stampo è in uno stato di modalità trasversale singola o singola modalità longitudinale del laser, le misure di stabilizzazione della frequenza laser si riferiscono all'adozione di un certo controllo automatico della lunghezza d'onda o della stabilità della frequenza di uscita del laser con una certa precisione nell'ambito degli speciali dispositivi laser, in alcuni casi, può anche essere trasformato sia in modalità monomodale sia in un laser speciale in grado di controllare automaticamente la stabilità della frequenza (vedere tecnologia di stabilizzazione della frequenza laser).

In generale, la lunghezza d'onda di uscita di un laser sintonizzabile è fissa, ma la lunghezza d'onda di uscita di alcuni laser può essere modificata in un intervallo continuo e controllabile utilizzando una speciale tecnica di ottimizzazione. Questo tipo di laser è chiamato laser sintonizzabile (vedi tecnica di sintonizzazione laser).

Gamma di banda

Diversi tipi di laser possono essere suddivisi nei seguenti tipi in base alla gamma di lunghezze d'onda del laser di uscita.

La gamma di lunghezze d'onda di uscita del laser a infrarossi lontani è compresa tra 25 e 1000 micron. L'uscita laser di alcuni laser a gas molecolare e laser a elettroni liberi cade in quest'area.

Il laser nir si riferisce a un dispositivo laser la cui lunghezza d'onda del laser di uscita è nella regione dell'infrarosso medio (2,5 ~ 25 micron), che è rappresentata dal laser a gas molecolare CO (10,6 micron) e dal laser a gas molecolare CO (5 ~ 6 micron).

Il laser passivo a infrarossi vicini è un dispositivo laser la cui lunghezza d'onda del laser di uscita è nella regione del vicino infrarosso (0,75 ~ 2,5 micron), rappresentata da laser solido drogato al neodimio (1,06 micron), laser a diodi semiconduttori CaAs (circa 0,8 micron) e alcuni laser a gas.

(4) il laser visibile, si riferisce alla lunghezza d'onda del laser in uscita nell'intervallo spettrale visibile (4000 ~ 7000 o 0,4 ~ 0,7 micron) del dispositivo laser, rappresentanti per il laser rubino (6943), laser he-ne (6328), argon laser a ioni (4880, 5145), laser a ioni di krypton (4762, 5208, 5682, 6471) e alcuni dei laser a coloranti sintonizzabili, ecc.

Il laser vicino al ultravioletto, la cui gamma di lunghezze d'onda del laser in uscita si trova nella regione dello spettro del vicino ultravioletto (2000-4000 angstrom), è rappresentato dal laser ad eccimeri allo xeno fluorurato (XeF) allo xeno fluorurato (3371 angstrom) (3511 angstrom, 3531 angstrom) , laser ad eccimeri di krypton fluoruro (KrF) (2490 angstrom) e alcuni laser coloranti sintonizzabili.

La gamma di lunghezze d'onda del laser di uscita è nella regione dello spettro ultravioletto del vuoto (50 ~ 2000 angstrom), rappresentato dal laser molecolare (H) (1644 ~ 1098 angstrom), dal laser ad eccimeri allo xeno (Xe) (1730 angstrom), ecc.

Sono state sviluppate radiografie morbide, ma sono ancora in fase esplorativa.

Ix. Scopi principali

Il laser è uno dei componenti essenziali del moderno sistema di elaborazione laser.

Con lo sviluppo della tecnologia di elaborazione laser, il laser si è sviluppato e sono apparsi molti nuovi laser.

I primi laser a elaborazione laser sono laser a gas CO2 ad alta potenza e laser YAG solido pompato a luce.

Dalla storia di sviluppo della tecnologia di elaborazione laser, il primo laser è emerso a metà del tubo laser CO2 sigillato della metà degli anni '70. Fino ad ora, è emerso il laser a CO2 di quinta generazione con raffreddamento a CO2 per diffusione.

Dallo sviluppo si può vedere che il laser CO2 iniziale è incline alla direzione di sviluppo per migliorare la potenza del laser. Tuttavia, quando la potenza del laser raggiunge un determinato requisito, la qualità del raggio del laser viene presa sul serio e lo sviluppo del laser viene trasferito alla qualità del raggio di alta regolazione.

Il laser CO2 a lamelle di raffreddamento a diffusione che appare vicino al limite di diffrazione ha una buona qualità del raggio ed è stato ampiamente utilizzato, specialmente nel campo del taglio laser, che è favorito da molte aziende.

All'inizio del 21 ° secolo, emerse un altro nuovo tipo di laser a semiconduttore laser.

Rispetto al tradizionale laser solido ad alta potenza CO2 e YAG, il laser a semiconduttore presenta gli ovvi vantaggi tecnici, come la menzione di piccolo, leggero, alta efficienza, basso consumo energetico, lunga durata e alto assorbimento di metallo del laser a semiconduttore, con lo sviluppo continuo della tecnologia laser a semiconduttore, il laser a semiconduttore basato su altro laser solido, come i laser a fibra, il laser a stato solido della pompa a semiconduttore, come lo sviluppo del laser a lastre è anche molto rapidamente.

Tra questi, i laser a fibra si sono sviluppati rapidamente, in particolare i laser a fibra drogata con terre rare dovrebbero essere ampiamente utilizzati nei settori della comunicazione delle fibre, del rilevamento delle fibre e della lavorazione dei materiali laser.

Grazie alle sue eccezionali caratteristiche, il laser è stato utilizzato in molti settori come l'industria, l'agricoltura, la misurazione e il rilevamento di precisione, l'elaborazione delle comunicazioni e delle informazioni, le cure mediche e militari, e ha fatto scoperte rivoluzionarie in molti campi.

In campo militare, il laser è stato utilizzato per le comunicazioni, la visione notturna, l'allerta precoce, il raggio d'azione e altri aspetti, sono state anche utilizzate una varietà di armi laser e armi di guida laser.

1. Il laser viene utilizzato come fonte di calore.

Il raggio laser è piccolo e trasporta un'enorme quantità di energia. La messa a fuoco con un obiettivo, ad esempio, può concentrare l'energia su una piccola area e generare enormi quantità di calore.

Ad esempio, le persone possono utilizzare l'energia concentrata ed estremamente elevata del laser per elaborare vari materiali e praticare 200 fori su un ago.

Come mezzo per causare stimolazione, variazione, cauterizzazione e vaporizzazione su organismi biologici, il laser ha ottenuto buoni risultati nell'applicazione pratica della medicina e dell'agricoltura.

2. Gamma laser.

Come fonte di luce a portata di raggio, il laser può misurare distanze molto lontane grazie alla sua buona direttività, elevata potenza e alta precisione.

3. Comunicazione laser.

Nelle comunicazioni, un cavo ottico che utilizza un raggio laser per trasmettere segnali può trasportare più informazioni di 20.000 fili di rame.

4. Applicazione della raccolta di nuclei controllati in aria.

Sparando il laser in una miscela di deuterio e trizio, il laser fornisce loro enormi quantità di energia, producendo alta pressione e alta temperatura, facendo fondere i due nuclei in elio e neutroni e rilasciando enormi quantità di energia di radiazione allo stesso tempo .

Poiché l'energia del laser può essere controllata, il processo si chiama fusione nucleare controllata.

In futuro, con l'ulteriore ricerca e sviluppo della tecnologia laser, le prestazioni del laser saranno ulteriormente migliorate e il costo sarà ulteriormente ridotto, ma il suo campo di applicazione sarà ulteriormente ampliato e svolgerà un ruolo sempre più grande.


La specialità è impegnata nella ricerca e sviluppo, produzione e vendita di apparecchiature per il taglio laser in fibra e CO2.

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