La tecnologia laser è entrata nella vita delle persone da tutti gli aspetti, ma ci sono molti tipi di generatori laser, ognuno con diverse lunghezze d'onda e caratteristiche diverse, quindi anche i campi di applicazione sono diversi. Credo che la maggior parte delle persone provi un po' di mal di testa di fronte ai complicati tipi di generatori laser. Pertanto, questo articolo riassume e spiega le caratteristiche e le applicazioni pratiche di vari tipi di generatori laser uno per uno.
In base ai diversi mezzi di lavoro, i generatori laser sono suddivisi in 6 tipologie: a stato solido, a gas, a colorante, a diodo, a fibra e a elettroni liberi. Tra questi, ci sono molte suddivisioni di laser a stato solido e a gas. Ad eccezione dei laser a elettroni liberi, i principi di funzionamento di base di vari laser sono gli stessi, tra cui la sorgente di pompaggio, il risonatore ottico e il mezzo di guadagno.
Generatore laser a stato solido
Nei generatori laser a stato solido, la luce è generalmente utilizzata come sorgente di pompaggio e il cristallo o il vetro che può generare luce è chiamato materiale di lavoro. Il materiale è composto da una matrice e uno ione attivato. Il materiale della matrice fornisce un ambiente di esistenza e di lavoro adatto per lo ione attivato e lo ione attivato completa il processo di generazione laser. Gli ioni attivi comunemente utilizzati sono principalmente ioni di metalli di transizione, come cromo, cobalto, nichel e altri ioni e ioni di metalli delle terre rare, come gli ioni di neodimio. Gli specchi rivestiti con pellicole dielettriche sono utilizzati come specchi risonatori, uno dei quali è uno specchio intero e l'altro è uno specchio mezzo. Quando si utilizzano diversi ioni attivati, diversi materiali di matrice e diverse lunghezze d'onda di eccitazione della luce, verranno emessi vari laser di diverse lunghezze d'onda.
La lunghezza d'onda laser in uscita dal generatore laser a rubino è di 694.3 nm e il tasso di conversione fotoelettrica è basso, solo lo 0.1%. Tuttavia, la sua durata fluorescente è lunga, il che favorisce l'accumulo di energia e può emettere un'elevata potenza di picco dell'impulso. Il laser generato da una bacchetta di rubino con uno spessore di un nucleo di penna e un lungo dito può penetrare facilmente la lamiera di ferro. Prima dell'emergere di sistemi laser YAG più efficienti, i sistemi laser a rubino erano ampiamente utilizzati in taglio laser e perforazione. Inoltre, la luce a 694 nm viene facilmente assorbita dalla melanina, quindi i laser al rubino vengono utilizzati anche nel trattamento delle lesioni pigmentate (macchie cutanee).
Grazie alle sue proprietà cristalline, il generatore laser Ti:Sapphire ha un'ampia gamma sintonizzabile (ovvero, la gamma di lunghezze d'onda sintonizzabili) e può emettere luce con una lunghezza d'onda di 660nm-1200nm a seconda delle necessità. Insieme alla maturità della tecnologia di raddoppio della frequenza (che può raddoppiare la frequenza della luce, ovvero dimezzare la lunghezza d'onda), la gamma di lunghezze d'onda può essere estesa a 330nm-600nm. I sistemi laser in zaffiro e titanio sono utilizzati nella spettroscopia femto2nd, nella ricerca sull'ottica non lineare, nella generazione di luce bianca, nella generazione di onde terahertz, ecc. e hanno anche applicazioni nella bellezza medica.
YAG è l'abbreviazione di granato di alluminio e ittrio, che è la matrice di cristallo laser più eccellente al momento. Dopo essere stato drogato con neodimio (Nd), può produrre 1064nm luce e la potenza massima di uscita continua può raggiungere i 1000 W. Nei primi tempi, una lampada flash a gas inerte veniva utilizzata come sorgente di pompaggio, ma il metodo di pompaggio della lampada flash ha un'ampia gamma spettrale, una scarsa coincidenza con lo spettro di assorbimento del mezzo di guadagno e un grande carico termico, con conseguente basso tasso di conversione fotoelettrica. Quindi ora utilizzando il pompaggio LD (diodo laser), è possibile ottenere alta efficienza, alta potenza e lunga durata. I generatori laser Nd:YAG possono essere utilizzati nel trattamento degli emangiomi e inibiscono la crescita del tumore. Tuttavia, il danno termico al tessuto non è selettivo. Mentre coagula i vasi sanguigni del tumore, l'energia in eccesso danneggerà anche il tessuto normale circostante ed è facile lasciare cicatrici dopo l'intervento chirurgico. Pertanto, il laser Nd:YAG è utilizzato principalmente in chirurgia, ginecologia, otorinolaringoiatria e meno in dermatologia.
Yb: YAG, l'itterbio (Yb) è drogato in YAG, che può emettere luce di 1030 nm. La lunghezza d'onda della pompa di Yb:YAG è di 941 nm, che è molto vicina alla lunghezza d'onda di uscita, che può raggiungere un'efficienza quantica della pompa del 91.4%, e il calore generato dalla pompa viene soppresso entro 10% (la maggior parte dell'energia in ingresso viene convertita in energia in uscita, una piccola parte della quale diventa calore, il che significa che l'efficienza di conversione è molto alta), che è del 25% a 30% di Nd:YAG. Yb:YAG è diventato uno dei supporti laser a stato solido più interessanti e i generatori laser a stato solido Yb:YAG ad alta potenza pompati da LD sono diventati un nuovo punto caldo della ricerca e sono considerati una delle principali direzioni di sviluppo dei generatori laser a stato solido ad alta efficienza e alta potenza.
Oltre ai due precedenti, YAG può anche essere drogato con olmio (Ho), erbio (Er), ecc. Ho:YAG produce laser da 2097nm e 2091nm sicuri per gli occhi, principalmente per comunicazioni ottiche, radar e applicazioni mediche. Er:YAG emette luce di 2.9 μm e il corpo umano ha un elevato tasso di assorbimento di questa lunghezza d'onda, che ha un grande potenziale applicativo per la chirurgia laser e la chirurgia vascolare.
Generatore laser a gas
I generatori laser a gas sono sistemi laser che utilizzano il gas come mezzo di guadagno, generalmente pompando scariche di gas. I tipi di gas includono gas atomici (elio-neon, ione di gas nobile e vapore di metallo), gas molecolari (azoto e anidride carbonica), gas eccimeri e sono forniti da reazioni chimiche.
Il generatore laser HeNe (HeNe) utilizza una miscela di 75% o più di He e 15% o meno di Ne come mezzo di guadagno. A seconda dell'ambiente di lavoro, può emettere luce verde (543.5 nm), gialla (594.1 nm), arancione (612.0 nm), rossa (632.8 nm) e 3 tipi di luce infrarossa vicina (1152 nm, 1523 nm e 3391 nm), di cui la luce rossa (632.8 nm) è la più comunemente utilizzata. Il raggio in uscita dal generatore laser HeNe ha una distribuzione gaussiana e la qualità del raggio è molto stabile. Sebbene la potenza non sia elevata, ha buone prestazioni nel campo della misurazione di precisione.
I generatori laser a gas nobili comuni sono gli ioni di argon (Ar+) e gli ioni di kripton (Kr+). Il suo tasso di conversione di energia può raggiungere fino allo 0.6% e può erogare in modo continuo e stabile una potenza di 30-50 W per un lungo periodo, e la sua durata supera le 1000 ore. Utilizzato principalmente in display laser, spettroscopia Raman, olografia, ottica non lineare e altri campi di ricerca, nonché diagnosi medica, separazione dei colori di stampa, elaborazione dei materiali metrologici ed elaborazione delle informazioni.
I generatori laser a vapore metallico prendono come esempio il vapore di rame. Il generatore laser a vapore di rame emette principalmente luce verde (510.5 nm) e luce gialla (578.2 nm), che può raggiungere una potenza media di 100 W e una potenza di picco di 100 kW. La sua principale area di applicazione è la sorgente di pompaggio dei generatori laser a colorante. Inoltre, può essere utilizzato anche per la fotografia flash ad alta velocità, la proiezione TV su grande schermo e la lavorazione dei materiali.
Il generatore laser molecolare all'azoto utilizza l'azoto come mezzo di guadagno, che può emettere luce ultravioletta di 337.1 nm, 357.7 nm e 315.9 nm e la potenza di picco può raggiungere i 45 kW. Può essere utilizzato come sorgente di luce di pompaggio per generatori laser a colorante organico ed è anche ampiamente utilizzato nella separazione laser di isotopi, diagnosi di fluorescenza, fotografia ad altissima velocità, rilevamento dell'inquinamento, assistenza medica e sanitaria e allevamento agricolo. Poiché la sua lunghezza d'onda corta è più facile da mettere a fuoco per ottenere un piccolo punto, può anche essere utilizzato per elaborare componenti sub-micron.
Il mezzo di guadagno utilizzato nel CO2 generatore laser è anidride carbonica miscelata con elio e azoto, che può emettere luce infrarossa lontana centrata su lunghezze d'onda di 9.6 μm e 10.6 μm. Il generatore ha un elevato tasso di conversione dell'energia, la potenza di uscita può variare da diversi watt a decine di migliaia di watt e la qualità del fascio estremamente elevata rende il CO2 generatore laser ampiamente utilizzato nella lavorazione dei materiali, nella ricerca scientifica, nella difesa nazionale e nella medicina. Incontrerai diversi CO2 taglierine laser e incisori laser per incidere e tagliare legno, MDF, compensato, tessuto, pelle, vetro, plastica e acrilico nella tua vita quotidiana e lavorativa.
Gli eccimeri sono molecole instabili che vengono riempite con miscele di diversi gas nobili e gas alogeni nel risonatore per generare laser di diverse lunghezze d'onda. L'eccitazione è solitamente ottenuta tramite fasci di elettroni relativistici (energia superiore a 200 keV) o tramite scariche di impulsi rapidi trasversali. Quando i legami molecolari instabili dell'eccimero allo stato eccitato vengono spezzati e dissociati in atomi allo stato fondamentale, l'energia dello stato eccitato viene rilasciata sotto forma di radiazione laser. È ampiamente utilizzato in campo medico, nelle comunicazioni ottiche, nei display a semiconduttore, nel telerilevamento, nelle armi laser e in altri campi.
Il generatore laser chimico è un tipo speciale di sistema laser a gas che utilizza l'energia rilasciata dalla reazione chimica per realizzare l'inversione del numero di particelle. La maggior parte di essi funziona in modalità di transizione molecolare e la tipica gamma di lunghezze d'onda è nella regione spettrale dal vicino infrarosso al medio infrarosso. I più importanti sono i dispositivi al fluoruro di idrogeno (HF) e al fluoruro di deuterio (DF). Il primo può emettere più di 15 linee spettrali tra 2.6 e 3.3 micron; il secondo ha circa 25 linee spettrali tra 3.5 e 4.2 micron. Entrambi i dispositivi sono attualmente in grado di emettere più megawatt. A causa della sua enorme energia, è generalmente utilizzato nell'ingegneria nucleare e nei campi militari.
Generatore laser a colorante
I generatori di coloranti laser utilizzano un colorante organico come mezzo laser, di solito una soluzione liquida. I generatori di laser a colorante possono essere generalmente utilizzati su una gamma più ampia di lunghezze d'onda rispetto ai mezzi laser gassosi e allo stato solido. La loro ampia larghezza di banda li rende particolarmente adatti per generatori di laser sintonizzabili e pulsati. Tuttavia, a causa della sua breve durata media e della potenza di uscita limitata, è sostanzialmente sostituito da laser a stato solido regolabili in lunghezza d'onda come lo zaffiro di titanio.
Generatore laser a diodo
Il generatore laser a diodo è un sistema laser che utilizza materiali semiconduttori come sostanza di lavoro. Ci sono 3 modalità di eccitazione: iniezione elettrica, eccitazione del fascio di elettroni e pompaggio ottico. Piccole dimensioni, basso prezzo, alta efficienza, lunga durata, basso consumo energetico, possono essere utilizzati in informazioni elettroniche, stampa laser, puntatore laser, comunicazione ottica, TV laser, piccolo proiettore laser, informazioni elettroniche, ottica integrata e altri campi.
Generatore laser a fibra
Il generatore laser a fibra si riferisce a un tipo di sistema laser che utilizza fibra di vetro drogata con terre rare come mezzo di guadagno. È ampiamente utilizzato nella stampa, marcatura, incisione, perforazione, taglio, pulizia, saldatura (brasatura, tempra in acqua, placcatura e saldatura profonda) di metalli e non metalli, militari, difesa e sicurezza, apparecchiature mediche, grandi infrastrutture e come pompa per altre sorgenti laser. Incontrerai incisori laser a fibra per testi e motivi personalizzati, taglierine laser in fibra per la fabbricazione dei metalli, macchine per la pulizia laser a fibra per la rimozione della ruggine, la sverniciatura e la rimozione del rivestimento, saldatrici laser a fibra per giunti metallici nella tua vita.
Generatore laser a elettroni liberi
Il generatore laser a elettroni liberi è un nuovo tipo di sorgente di radiazione coerente ad alta potenza, diverso dal generatore laser tradizionale. Non necessita di gas, liquidi o solidi come materiale di lavoro, ma converte direttamente l'energia cinetica del fascio di elettroni ad alta energia in energia di radiazione coerente. Pertanto, si può anche considerare che la sostanza di lavoro del generatore laser a elettroni liberi siano gli elettroni liberi. Ha una serie di eccellenti caratteristiche come alta potenza, alta efficienza, ampia gamma di sintonizzazione della lunghezza d'onda e struttura temporale degli impulsi ultra-corti. A parte questo, non esiste un generatore laser che possa avere queste caratteristiche contemporaneamente. Ha notevoli prospettive nei campi della ricerca fisica, delle armi laser, della fusione laser, della fotochimica e delle comunicazioni ottiche.
