Laserska tehnologija je v življenja ljudi vstopila z vseh vidikov, vendar obstaja veliko vrst laserskih generatorjev, vsak z različnimi valovnimi dolžinami in značilnostmi, zato so tudi področja uporabe različna. Verjamem, da večina ljudi občuti nekaj glavobola pri soočanju s kompleksnimi vrstami laserskih generatorjev. Zato ta članek povzema in pojasnjuje značilnosti in praktično uporabo različnih vrst laserskih generatorjev enega za drugim.
Glede na različne delovne medije so laserski generatorji razdeljeni na 6 vrst: trdnostne, plinske, barvilne, diodne, vlaknene in generatorje laserjev na prostih elektronih. Med njimi obstaja veliko podrazdelkov trdnostnih in plinskih laserjev. Razen laserjev na prostih elektronih so osnovna načela delovanja različnih laserjev enaka, vključno z virom črpanja, optičnim resonatorjem in ojačevalnim medijem.
Generator laserja v trdnem stanju
V generatorjih trdnih laserjev se svetloba običajno uporablja kot vir črpanja, kristal ali steklo, ki lahko ustvarja svetlobo, pa se imenuje delovni material. Material je sestavljen iz matrice in aktiviranega iona. Matrični material zagotavlja primerno obstoječe in delovno okolje za aktivirani ion, aktivirani ion pa zaključi proces generiranja laserja. Pogosto uporabljeni aktivni ioni so predvsem ioni prehodnih kovin, kot so krom, kobalt, nikelj in drugi ioni, ter ioni redkih zemeljskih kovin, kot so neodimovi ioni. Z dielektričnimi filmi prevlečena ogledala se uporabljajo kot resonančna ogledala, od katerih je eno polno ogledalo, drugo pa polovično ogledalo. Pri uporabi različnih aktiviranih ionov, različnih matričnih materialov in različnih valovnih dolžin vzbujanja svetlobe se bodo oddajali različni laserji z različnimi valovnimi dolžinami.
Valovna dolžina laserskega sevanja, ki jo oddaja generator rubinskega laserja, je 694.3 nm, stopnja fotoelektrične pretvorbe pa je nizka, le 0.1 %. Vendar pa ima dolgo fluorescenčno življenjsko dobo, kar omogoča shranjevanje energije, in lahko oddaja visoko pulzno vršno moč. Laser, ki ga ustvarja rubinska palica z debelino jedra pisala in dolgim prstom, zlahka prodre skozi železno pločevino. Pred pojavom učinkovitejših YAG laserskih sistemov so se rubinski laserski sistemi pogosto uporabljali v ... lasersko rezanje in vrtanje. Poleg tega melanin zlahka absorbira svetlobo z valovno dolžino 694 nm, zato se rubinski laserji uporabljajo tudi pri zdravljenju pigmentnih lezij (kožnih madežev).
Zaradi svojih kristalnih lastnosti ima Ti:Sapphire laserski generator široko nastavljivo območje (torej nastavljivo območje valovnih dolžin) in lahko po potrebi oddaja svetlobo z valovno dolžino od 660 nm do 1200 nm. Z zrelostjo tehnologije podvojitve frekvence (ki lahko podvoji frekvenco svetlobe, torej prepolovi valovno dolžino) se lahko območje valovnih dolžin razširi na 330 nm do 600 nm. Titan-safirni laserski sistemi se uporabljajo v femto2nd spektroskopiji, raziskavah nelinearne optike, generiranju bele svetlobe, generiranju teraherčnih valov itd., uporabljajo pa se tudi v medicinski lepoti.
YAG je okrajšava za itrijev aluminijev granat, ki je trenutno najboljša laserska kristalna matrica. Po dopiranju z neodimom (Nd) lahko oddaja 1064nm svetlobe, največja neprekinjena izhodna moč pa lahko doseže 1000 W. V zgodnjih dneh se je kot vir črpanja uporabljala bliskavica z inertnim plinom, vendar ima metoda črpanja z bliskavico širok spektralni razpon, slabo ujemanje z absorpcijskim spektrom ojačevalnega medija in veliko toplotno obremenitev, kar ima za posledico nizko stopnjo fotoelektrične pretvorbe. Zdaj je z uporabo črpanja z LD (lasersko diodo) mogoče doseči visoko učinkovitost, veliko moč in dolgo življenjsko dobo. Nd:YAG laserski generatorji se lahko uporabljajo pri zdravljenju hemangiomov in zavirajo rast tumorja. Vendar pa toplotna poškodba tkiva ni selektivna. Medtem ko koagulira krvne žile tumorja, presežna energija poškoduje tudi okoliško normalno tkivo in po operaciji zlahka pusti brazgotine. Zato se Nd:YAG laser večinoma uporablja v kirurgiji, ginekologiji, ORL in manj v dermatologiji.
Yb:YAG, iterbij (Yb) je dopiran v YAG, ki lahko oddaja svetlobo 1030 nm. Valovna dolžina črpanja Yb:YAG je 941 nm, kar je zelo blizu izhodni valovni dolžini, ki lahko doseže kvantni izkoristek črpanja 91.4 %, toplota, ki jo ustvari črpalka, pa je zadušena znotraj 10% (večina vhodne energije se pretvori v izhodno energijo, majhen del katere postane toplota, kar pomeni, da je učinkovitost pretvorbe zelo visoka), kar znaša od 25 % do 30% Nd:YAG. Yb:YAG je postal eden najbolj privlačnih medijev za trdnostne laserje, LD-črpani visokozmogljivi Yb:YAG trdnostni laserski generatorji pa so postali nova raziskovalna vroča točka in veljajo za eno glavnih smeri razvoja visokozmogljivih, visokozmogljivih trdnostnih laserskih generatorjev.
Poleg zgoraj omenjenih dveh se lahko YAG dopira tudi s holmijem (Ho), erbijem (Er) itd. Ho:YAG proizvaja laserje z valovno dolžino 2097 nm in 2091 nm, varne za oči, predvsem za optično komunikacijo, radarsko in medicinsko uporabo. Er:YAG oddaja svetlobo z valovno dolžino 2.9 μm, človeško telo pa ima visoko stopnjo absorpcije te valovne dolžine, kar ima velik potencial za uporabo v laserski kirurgiji in žilni kirurgiji.
Generator plinskega laserja
Generatorji plinskih laserjev so laserski sistemi, ki uporabljajo plin kot ojačevalni medij, običajno s črpanjem plinskih razelektritev. Vrste plinov vključujejo atomske pline (helij-neon, ion žlahtnega plina in kovinske pare), molekularne pline (dušik in ogljikov dioksid), eksimerne pline in nastanejo s kemičnimi reakcijami.
Generator HeNe laserja (HeNe) uporablja mešanico 75 % ali več He in 15 % ali manj Ne kot ojačevalni medij. Glede na delovno okolje lahko oddaja zeleno (543.5 nm), rumeno (594.1 nm), oranžno (612.0 nm), rdečo (632.8 nm) in 3 vrste bližnje infrardeče svetlobe (1152 nm, 1523 nm in 3391 nm), od katerih se najpogosteje uporablja rdeča svetloba (632.8 nm). Izhodni žarek generatorja HeNe laserja ima Gaussovo porazdelitev, kakovost žarka pa je zelo stabilna. Čeprav moč ni visoka, ima dobro zmogljivost na področju natančnih meritev.
Pogosti generatorji laserjev z žlahtnimi plini so argonovi ioni (Ar+) in kriptonski ioni (Kr+). Njegova stopnja pretvorbe energije lahko doseže do 0.6 %, lahko neprekinjeno in stabilno oddaja moč 30–50 W dlje časa, njegova življenjska doba pa presega 1000 ur. Uporablja se predvsem v laserskih zaslonih, Ramanski spektroskopiji, holografiji, nelinearni optiki in drugih raziskovalnih področjih, pa tudi v medicinski diagnostiki, ločevanju barv pri tiskanju, metrološki obdelavi materialov in obdelavi informacij.
Generatorji kovinskih laserjev na osnovi bakrenih hlapov vzamejo za primer bakrene hlape. Generator bakrenih laserjev oddaja predvsem zeleno svetlobo (510.5 nm) in rumeno svetlobo (578.2 nm), ki lahko doseže povprečno moč 100 W in največjo moč 100 kW. Njegovo glavno področje uporabe je črpalni vir laserskih generatorjev z barvili. Poleg tega se lahko uporablja tudi za hitro bliskavico, projekcije na televizijskih zaslonih z velikim zaslonom in obdelavo materialov.
Generator molekularnega laserja z dušikom uporablja dušik kot ojačevalni medij, ki lahko oddaja ultravijolično svetlobo z valovnimi dolžinami 337.1 nm, 357.7 nm in 315.9 nm, njegova največja moč pa lahko doseže 45 kW. Uporablja se lahko kot črpalni vir svetlobe za generatorje laserjev z organskimi barvili, pogosto pa se uporablja tudi pri laserskem ločevanju izotopov, fluorescenčni diagnostiki, ultrahitri fotografiji, odkrivanju onesnaževanja, medicini in zdravstvenem varstvu ter kmetijski vzreji. Ker je njegova kratka valovna dolžina lažje fokusirana za doseganje majhne pike, se lahko uporablja tudi za obdelavo submikronskih komponent.
Ojačevalni medij, uporabljen v CO2 Laserski generator je ogljikov dioksid, pomešan s helijem in dušikom, ki lahko oddaja daljno infrardečo svetlobo s središčem na valovnih dolžinah 9.6 μm in 10.6 μm. Generator ima visoko stopnjo pretvorbe energije, izhodna moč se lahko giblje od nekaj vatov do več deset tisoč vatov, izjemno visoka kakovost žarka pa omogoča... CO2 laserski generator, ki se pogosto uporablja v obdelavi materialov, znanstvenih raziskavah, nacionalni obrambi in medicini. Spoznali boste različne CO2 laserski rezalniki in laserski graverji za graviranje in rezanje lesa, MDF, vezanega lesa, blaga, usnja, stekla, plastike in akrila v vašem vsakdanjem življenju in poslu.
Eksimeri so nestabilne molekule, ki so v resonatorju napolnjene z mešanicami različnih žlahtnih plinov in halogenskih plinov, da ustvarijo laserje različnih valovnih dolžin. Vzbujanje se običajno doseže z relativističnimi elektronskimi žarki (energija večja od 200 keV) ali s prečnimi hitrimi impulznimi razelektritvami. Ko se nestabilne molekularne vezi vzbujenega stanja eksimera prekinejo in disociirajo na atome osnovnega stanja, se energija vzbujenega stanja sprosti v obliki laserskega sevanja. Široko se uporablja v medicini, optični komunikaciji, polprevodniških zaslonih, daljinskem zaznavanju, laserskem orožju in drugih področjih.
Generator kemičnih laserjev je posebna vrsta plinskega laserskega sistema, ki uporablja energijo, sproščeno med kemijsko reakcijo, za doseganje inverzije števila delcev. Večina jih deluje v načinu molekularnega prehoda, tipično območje valovnih dolžin pa je v spektralnem območju od bližnjega infrardečega do srednjega infrardečega sevanja. Najpomembnejši sta napravi z vodikovim fluoridom (HF) in devterijevim fluoridom (DF). Prvi lahko oddaja več kot 15 spektralnih črt med 2.6 in 3.3 mikrona; drugi ima približno 25 spektralnih črt med 3.5 in 4.2 mikrona. Obe napravi sta trenutno sposobni oddajati večmegavatne izhode. Zaradi svoje ogromne energije se običajno uporablja v jedrski tehniki in na vojaškem področju.
Generator barvnega laserja
Generatorji barvnih laserjev uporabljajo organsko barvilo kot laserski medij, običajno tekočo raztopino. Generatorje barvnih laserjev je na splošno mogoče uporabljati v širšem območju valovnih dolžin kot plinske in trdne laserske medije. Zaradi široke pasovne širine so še posebej primerni za nastavljive in impulzne laserske generatorje. Vendar pa jih zaradi kratke življenjske dobe medija in omejene izhodne moči v osnovi nadomeščajo trdni laserji, ki jih je mogoče nastaviti po valovni dolžini, kot je titanov safir.
Diodni laserski generator
Diodni laserski generator je laserski sistem, ki kot delovno snov uporablja polprevodniške materiale. Obstajajo 3 načini vzbujanja: električno vbrizgavanje, vzbujanje elektronskega žarka in optično črpanje. Zaradi majhne velikosti, nizke cene, visoke učinkovitosti, dolge življenjske dobe in nizke porabe energije se lahko uporablja v elektronskih informacijah, laserskem tiskanju, laserskih kazalcih, optični komunikaciji, laserski televiziji, majhnih laserskih projektorjih, elektronskih informacijah, integrirani optiki in drugih področjih.
Generator vlakenskega laserja
Generator vlakenskega laserja se nanaša na vrsto laserskega sistema, ki kot ojačevalni medij uporablja steklena vlakna, dopirana z redkimi zemeljskimi elementi. Široko se uporablja pri tiskanju, označevanju, graviranju, vrtanju, rezanju, čiščenju, varjenju (spajkanje, kaljenje v vodi, oblaganje in globoko varjenje) na kovinske in nekovine, v vojski, obrambi in varnosti, medicinski opremi, veliki infrastrukturi in kot črpalka za druge laserske vire. Spoznali boste laserski graverji za vlakna za personalizirana besedila in vzorce, laserski rezalniki vlaken za izdelavo kovin, stroji za čiščenje z vlaknenim laserjem za odstranjevanje rje, odstranjevanje barve in odstranjevanje premazov, stroji za lasersko varjenje vlaken za kovinske spoje v vašem življenju.
Generator prostega elektronskega laserja
Generator laserja s prostimi elektroni je nova vrsta visokozmogljivega koherentnega vira sevanja, ki se razlikuje od tradicionalnega laserskega generatorja. Kot delovno snov ne potrebuje plina, tekočine ali trdne snovi, temveč neposredno pretvarja kinetično energijo visokoenergijskega elektronskega žarka v koherentno sevalno energijo. Zato lahko sklepamo, da so delovna snov generatorja laserja s prostimi elektroni prosti elektroni. Ima vrsto odličnih lastnosti, kot so visoka moč, visoka učinkovitost, širok razpon nastavitve valovne dolžine in časovna struktura ultra kratkih impulzov. Razen njega ni nobenega drugega laserskega generatorja, ki bi lahko imel te lastnosti hkrati. Ima precejšen potencial na področju fizikalnih raziskav, laserskega orožja, laserske fuzije, fotokemije in optičnih komunikacij.
