Funktionsprinzip und Anwendung von Festkörperlasern

Feststofflaserist ein Laser, der als Arbeitssubstanz festes Lasermaterial verwendet. Der 1960 von TH Maiman erfundene Rubinlaser war ein Festkörperlaser und der erste Laser der Welt. Feststofflaser bestehen im Allgemeinen aus Laserarbeitsmaterial, Anregungsquelle, Fokussierungshohlraum, Resonanzhohlraumreflektor und Stromversorgung.

Das bei diesem Lasertyp verwendete feste Arbeitsmaterial wird durch Dotierung mit Metallionen hergestellt, die eine stimulierte Emission im Kristall erzeugen können. Es gibt drei Haupttypen von Metallionen, die in Feststoffen stimulierte Emission erzeugen können: (1) Übergangsmetallionen (wie Cr3 plus); (2) die meisten Lanthanoid-Metallionen (wie Nd3 plus, Sm2 plus, Dy2 plus usw.); (3) Actinium Es ist ein Metallion (wie U3 plus). Die Hauptmerkmale dieser in die feste Matrix dotierten Metallionen sind: relativ breites effektives Absorptionsspektralband, relativ hohe Fluoreszenzeffizienz, relativ lange Fluoreszenzlebensdauer und relativ schmale Fluoreszenzspektrallinien, sodass sie anfällig für Partikelzahlinversion und stimulierte Emission sind. Zu den als Kristallmatrix verwendeten künstlichen Kristallen gehören hauptsächlich: Korund (NaAlSi2O6), Yttrium-Aluminium-Granat (Y3Al5, O12), Calciumwolframat (CaWO4), Calciumfluorid (CaF2) usw. sowie Yttriumaluminat (YAlO3), Beryllium-Lanthan Säure (La2Be2O5) usw. Das verwendete Glassubstrat ist hauptsächlich hochwertiges optisches Silikatglas, wie beispielsweise häufig verwendetes Barium-Kronglas und Kalzium-Kronglas. Im Vergleich zu kristallinen Matrizen sind die Hauptmerkmale von Glasmatrizen die einfache Herstellung und die einfache Verfügbarkeit hochwertiger Materialien in großen Größen. Die Hauptanforderungen an Kristalle und Glassubstrate sind: einfache Einbindung lumineszierender Metallionen zur Aktivierung; gute spektrale Eigenschaften, optische Transmissionseigenschaften und ein hohes Maß an optischer Gleichmäßigkeit (Brechungsindex); physikalische Eigenschaften, die für den langfristigen Laserbetrieb geeignet sind, und chemische Eigenschaften (wie thermische Eigenschaften, Anti-Degradations-Eigenschaften, chemische Stabilität usw.). Kristalllaser werden typischerweise durch Rubin (Al2O3: Cr3 plus) und Neodym-dotiertes Yttrium-Aluminium-Granat (abgekürzt als YAG: Nd3 plus) repräsentiert. Glaslaser werden typischerweise durch Neodym-Glaslaser repräsentiert.

Festes Laserbearbeitungsmaterial

Das Arbeitsmaterial eines Festkörperlasers besteht aus optisch transparentem Kristall oder Glas als Matrixmaterial, dotiert mit aktivierenden Ionen oder anderen aktivierenden Substanzen. Dieser Arbeitsstoff sollte im Allgemeinen gute physikalisch-chemische Eigenschaften, schmale Fluoreszenzspektrallinien, starke und breite Absorptionsbanden und eine hohe Fluoreszenzquanteneffizienz aufweisen.

Laserbearbeitungsmaterialien aus Glas lassen sich leicht zu einheitlichen, großformatigen Materialien verarbeiten und können in Lasern mit hoher Energie oder hoher Spitzenleistung verwendet werden. Allerdings ist die Linie des Fluoreszenzspektrums breiter und die thermische Leistung schlecht, sodass es für den Betrieb bei hoher Durchschnittsleistung ungeeignet ist. Zu den gängigen Neodymgläsern gehören Silikat-, Phosphat- und Fluorphosphatgläser. In den frühen 1980er Jahren wurde erfolgreich Neodymglas mit einem negativen Brechungsindex-Temperaturkoeffizienten entwickelt, das in Lasern mittlerer und kleiner Energie mit hohen Wiederholraten eingesetzt werden kann.

Kristalllaserbearbeitungsmaterialien weisen im Allgemeinen gute thermische und mechanische Eigenschaften und schmale Fluoreszenzspektrallinien auf, aber die Kristallwachstumstechnologie zur Herstellung hochwertiger, großformatiger Materialien ist kompliziert. Seit den 1960er Jahren haben mehr als 300 Arten von Oxid- und Fluoridkristallen, die mit verschiedenen Seltenerdmetallen oder Übergangsmetallionen dotiert waren, Laseroszillation erreicht. Zu den häufig verwendeten Laserkristallen gehören Rubin (Cr:Al2O3, Wellenlänge 6943 Angström), mit Neodym dotierter Yttrium-Aluminium-Granat (Nd:Y3Al5O12, bezeichnet als Nd:YAG, Wellenlänge 1,064 Mikrometer), Lithium-Yttriumfluorid (LiYF4, bezeichnet als YLF; Nd:YLF, Wellenlänge 1,047 oder 1,05 Mikrometer; Ho:Er:Tm:YLF, Wellenlänge 2,06 Mikrometer) usw.

Seit 1973 gibt es eine weitere Art selbstaktivierender Laserkristalle. Seine aktivierten Ionen sind ein chemischer Bestandteil des Kristalls, sodass die Konzentration der aktivierten Ionen hoch ist und keine Fluoreszenzlöschung auftritt. Dieser Kristall hat eine hohe Laserverstärkung und eine niedrige Extraktionsschwelle. Zu den Hauptsorten gehören Neodympentaphosphat (NdP5O14), Lithiumneodymtetraphosphat (NdLiP4O12) und Neodymaluminiumborat (NdAl3(BO4)3). Sie werden meist mit der Salzschmelze-Methode gezüchtet und haben kleine Kristallgrößen, sodass sie in kleinen Festkörperlasern verwendet werden können.

Es wurde eine Vielzahl abstimmbarer Laserkristalle mit breitbandigen Fluoreszenzeigenschaften entwickelt, wie z. B. Chrysoberyll mit terminalem Phononenübergang (Cr:BeAl2O4, Wellenlänge 0.701-0.815 Mikrometer, Betrieb bei Raumtemperatur), Nickel- dotiertes Magnesiumfluorid (Ni: MgF2, Wellenlänge 1,6–1,8 Mikrometer, arbeitet bei niedriger Temperatur), Cer-dotiertes Lithium-Yttriumfluorid mit 5d→4f-Übergang (Ce:YLF, Wellenlänge 0.306 ~0.315 Mikrometer, angeregt durch Excimer-Laser, arbeitet bei Raumtemperatur) und das Farbzentrum eines Alkalihalogenid-Laserkristalls (undotiertes oder dotiertes Kaliumchlorid, Lithiumfluorid usw., Wellenlänge 0,8–3,9 Mikrometer, meist funktionsfähig). bei niedriger Temperatur).

Feststofflaser-Anregungsquelle

Feststofflaser nutzen Licht als Anregungsquelle. Zu den häufig verwendeten Impulsanregungsquellen gehören Xenon-geladene Blitzlampen; Zu den kontinuierlichen Anregungsquellen gehören Krypton-Bogenlampen, Jod-Wolfram-Lampen, Kalium-Rubidium-Lampen usw. In kleinen langlebigen Lasern können Halbleiter-Leuchtdioden oder Sonnenlicht als Anregungsquellen verwendet werden. Einige neue Festkörperlaser nutzen auch Laseranregung.

Da nur ein Teil des Emissionsspektrums der Lichtquelle vom Arbeitsmaterial absorbiert wird und weitere Verluste hinzukommen, ist der Energieumwandlungswirkungsgrad von Festkörperlasern nicht hoch und liegt im Allgemeinen zwischen einigen Tausendstel und einigen Prozent.

Eigenschaften von Festkörperlasern

Feststofflaser können als hochenergetische und leistungsstarke kohärente Lichtquellen eingesetzt werden. Die Ausgangsenergie des Rubin-Pulslasers kann Kilojoule-Niveau erreichen. Das gütegeschaltete und mehrstufig verstärkte Neodym-Glas-Lasersystem verfügt über eine maximale Pulsleistung von 10 Watt. Die Ausgangsleistung des Yttrium-Aluminium-Granat-Dauerlasers kann Hunderte Watt erreichen, und die mehrstufige Reihenschaltung kann Kilowatt erreichen.

Festkörperlaser nutzen die Q-Switching-Technologie (Modulation des sichtbaren Lichts), um kurze Impulse im Bereich von Nanosekunden bis zu Hunderten von Nanosekunden zu erhalten, und nutzen die Modenkopplungstechnologie, um ultrakurze Impulse im Bereich von Pikosekunden bis zu Hunderten von Pikosekunden zu erhalten.

Aufgrund optischer Inhomogenität des Arbeitsmaterials und aus anderen Gründen ist die Ausgabe allgemeiner Festkörperlaser mehrmodig. Wenn das Arbeitsmaterial mit guter optischer Gleichmäßigkeit ausgewählt und der Resonanzhohlraum sorgfältig entworfen und andere technische Maßnahmen ergriffen werden, kann der Grundtransversalmodus-Laser (TEM00) mit einem Strahldivergenzwinkel nahe der Beugungsgrenze erhalten werden , und ein einzelner Longitudinalmode-Laser kann ebenfalls erhalten werden.

Anwendungen und Trends von Festkörperlasern

Festkörperlaser finden vielfältige Einsatzmöglichkeiten in den Bereichen Militär, Verarbeitung, Medizin und wissenschaftliche Forschung. Es wird häufig in den Bereichen Entfernungsmessung, Verfolgung, Führung, Bohren, Schneiden und Schweißen, Glühen von Halbleitermaterialien, Mikroverarbeitung elektronischer Geräte, atmosphärische Erkennung, spektroskopische Forschung, Chirurgie und Augenchirurgie, Plasmadiagnose, Pulsholographie und Laserfusion usw. verwendet . . Festkörperlaser werden auch als Anregungsquellen für abstimmbare Farbstofflaser verwendet.

Der Entwicklungstrend von Festkörperlasern ist die Diversifizierung von Materialien und Geräten, einschließlich der Suche nach neuen Wellenlängen und neuen Arbeitsmaterialien mit abstimmbaren Betriebswellenlängen, der Verbesserung der Umwandlungseffizienz des Lasers, der Erhöhung der Ausgangsleistung, der Verbesserung der Strahlqualität und der Komprimierung Die Impulsbreite verbessert die Zuverlässigkeit und verlängert die Lebensdauer.

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