Typer och tillämpningar av lasergeneratorer

Laserklassificering Lasrar kan klassificeras på två sätt.En är att klassificera från det aktiverade mediets materialtillstånd.Detta kan delas in i gas-, flytande-, fast- och halvledarlasrar.Alla typer av lasrar har sina egna egenskaper.Monokromaticiteten hos gaslasrar är stark.Till exempel är monokromaticiteten för helium-neon-lasrar 100 miljoner gånger högre än den för vanliga ljuskällor, och gaslasrar har en mängd olika fungerande substanser, så de kan generera lasrar med många olika frekvenser.På grund av den låga gasdensiteten är emellertid laserns uteffekt motsvarande liten;tvärtom, solid state-lasern har hög energi och hög uteffekt, men det finns få typer av arbetsämnen och dålig monokromaticitet;den största egenskapen hos vätskelasern är att laserns våglängd kan vara Kontinuerlig transformation inom ett visst område.Denna typ av laser är speciellt lämplig för tillfällen med strikta krav på laservåglängd;Halvledarlasrar kännetecknas av liten storlek, låg vikt och enkel struktur, men uteffekten är liten och monokromaticiteten är dålig.En annan klassificeringsmetod är att klassificera efter partikelstrukturen i det aktiva mediet, som kan delas in i atomer, joner, molekyler och fria elektronlasrar.Helium-neonlasrar producerar lasrar som emitteras av neonatomer, och rubinlasrar producerar lasrar som emitteras av kromjoner.Det finns också koldioxidmolekylära lasrar, vars frekvens kan ändras kontinuerligt.Och kan täcka ett brett frekvensområde.Metoden att aktivera mediet i olika lasrar är också olika.Det finns generellt tre metoder: användning av högintensivt ljus, elektroner från en laddad strömkälla och en tredje, mindre vanligt använda metod, kärnstrålning.

Lasrar som används i fiberoptisk kommunikation I fiberoptisk kommunikation finns det tre typer av ljuskällor: halvledarlasrar, halvledarljusemitterande dioder och icke-halvledarlasrar.I själva optiska fiberkommunikationssystemet väljs vanligtvis de två första.Istället för halvledarlasrar, såsom gaslasrar, halvledarlasrar, etc., även om de är de tidigaste koherenta ljuskällorna, är de inte lämpliga för användning med små optiska fibrer på grund av sin stora storlek, och används endast i vissa speciella platser.

Halvledarlasrar Halvledarlasrar är laserdioder, betecknade som LD.Den uppfanns av den tidigare sovjetiska forskaren H.Γ.Basov 1960. Strukturen hos en halvledarlaser är vanligtvis sammansatt av ett P-lager, ett N-lager och ett aktivt lager som bildar en dubbel heteroövergång.Ljusemissionen från halvledarlasrar är baserad på principen om stimulerad ljusemission.De flesta elektroner i tillståndet av populationsinversionsfördelning kommer att emittera fotoner synkront när de exciteras av externa infallande fotoner.De stimulerade strålningsfotonerna och infallande fotonerna har inte bara samma våglängd, utan också samma fas och riktning.På så sätt erhålls starkt emissionsljus genom excitation av svagt infallande ljus, vilket spelar en roll för ljusförstärkning.Den optiska förstärkningsfunktionen ensam kan emellertid inte bilda optisk svängning.Precis som en oscillator i en elektronisk krets är det bara förstärkningsfunktionen som inte kan generera elektrisk svängning, och en positiv återkopplingskrets måste utformas så att den förlorade effekten i kretsen kan kompenseras av den förstärkta effekten.På liknande sätt, i lasern, är återkopplingskonceptet för den elektroniska kretsen också lånat, och en del av det förstärkta ljuset matas tillbaka för att ytterligare förstärka, generera oscillation och emittera laserljus.Sådana instrument som används för att uppnå förstärkt återkoppling av ljus kallas optiska resonatorer.Fördelarna med halvledarlasrar: liten storlek, hög kopplingseffektivitet, snabb svarshastighet, våglängd och storlek anpassad till fiberns storlek, direktmodulering och bra koherens.

Halvledarljusemitterande dioder Liksom halvledarlasrar är halvledarljusemitterande dioder också en PN-övergång, och de använder också en extern strömkälla för att injicera elektroner i PN-övergången för att avge ljus.Halvledarljusemitterande dioder kallas lysdioder, som är sammansatta av ett P-skikt bildat av en P-typ halvledare, ett N-skikt bildat av en N-typ halvledare och ett aktivt skikt bildat av en dubbel heterostruktur i mitten.Det aktiva lagret är ett ljusemitterande område och dess tjocklek är cirka 0,1 till 0,2 μm.

De strukturella toleranserna för halvledarljusemitterande dioder är inte lika snäva som för lasrar, och det finns inga resonatorer.Så det emitterade ljuset är inte laserljus, utan fluorescens.Lysdioder är enheter som arbetar med en pålagd framspänning.Under verkan av framåtförspänning kommer elektronerna i N-regionen att diffundera i den positiva riktningen och komma in i det aktiva skiktet, och hålen i P-området kommer också att diffundera i den negativa riktningen och gå in i det aktiva skiktet.Elektronerna och hålen som kommer in i det aktiva skiktet fångas i det aktiva skiktet på grund av effekten av heteroövergångsbarriären, vilket bildar en populationsinversionsfördelning.Dessa elektroner med populationsinversionsfördelning i det aktiva lagret kommer att generera spontant emissionsljus när de rekombinerar med hål genom övergång.Halvledarljusemitterande dioder är enkla i strukturen, små i storlek, små i driftström, lätta att använda och låga i kostnad, så de används ofta i optoelektroniska system.

Det finns många sätt att klassificera lasrar, som kan delas in efter materialet den skär, efter dess effekt och enligt frekvensbandet.Laserutrustning kan delas in i synligt ljus, infrarött, ultraviolett, röntgen och multi-våglängd avstämbara enligt våglängdsbandet.För närvarande är industriella infraröda och ultravioletta lasrar, såsom CO2-laser 10.64um infraröd laser, kryptonlamppumpad YAG-laser 1.064um infraröd laser, xenonlamppumpad YAG-laser 1.064um infraröd laser, halvledarsidan pumpad YAG-laser 1.064um infraröd laser.

Det finns många typer av lasrar, som kan delas in i fasta, gas-, flytande-, halvledar- och färgämnen:

(1) Solid-state lasrar är i allmänhet små och robusta, med hög pulsstrålningseffekt och ett brett utbud av applikationer.Såsom: Nd:YAG-laser.Nd (neodym) är ett sällsynt jordartsmetall, YAG står för yttriumaluminiumgranat, och dess kristallstruktur liknar rubin.

(2) Halvledarlasern är liten till storleken, lätt i vikt, lång livslängd och enkel i strukturen och är särskilt lämplig för användning i flygplan, krigsfartyg, fordon och rymdskepp.Halvledarlasrar kan ändra våglängden för laserljus genom externa elektriska fält, magnetfält, temperatur, tryck, etc., och kan direkt omvandla elektrisk energi till laserenergi, så de utvecklas snabbt.

( 3 ) Gaslasern använder gas som arbetssubstans och har god monokromaticitet och koherens.Laservåglängden kan nå tusentals typer, och den används ofta.Gaslasern har enkel struktur, låg kostnad och bekväm drift.Den används i stor utsträckning inom industri och jordbruk, medicin, precisionsmätning, holografisk teknik etc. Gaslasrar har olika excitationsmetoder såsom elektrisk energi, termisk energi, kemisk energi, ljusenergi och kärnenergi.

(4) Färglasrar med flytande färgämnen som arbetsämnen kom ut 1966 och används i stor utsträckning inom olika vetenskapliga forskningsområden.Det finns cirka 500 sorters färgämnen som kan generera laserljus.Dessa färgämnen är lösliga i alkohol, bensen, aceton, vatten eller andra lösningar.De kan också ingå i organisk plast i fast form, eller sublimerad till ånga, i gasform.Därför kallas färglasrar också "vätskelasrar".Den enastående egenskapen hos färglasrar är att våglängden är kontinuerligt avstämbar.Ett brett utbud av bränslelasrar finns tillgängliga till låg kostnad, hög effektivitet och uteffekt jämförbar med gas- och solid state-lasrar för tillämpningar inom spektroskopisk spektroskopi, fotokemi, medicinsk vård och jordbruk.

(5) Det finns många typer av infraröda lasrar med brett användningsområde.Det är en ny typ av infraröd strålningskälla, som kännetecknas av hög strålningsintensitet, god monokromaticitet, bra koherens och stark riktning.

(6) Röntgenlasrar har ett viktigt värde i vetenskaplig forskning och militära angelägenheter och har fördelar i laser-antimissilvapen;biologer kan använda röntgenlasrar för att studera molekylära strukturer i levande vävnader eller lära sig mer om cellfunktioner;använda röntgenlasrar för att fotografera fotografier av molekylära strukturer, vilket resulterar i biomolekylära bilder med hög kontrast.

(7) Kemiska lasrar Vissa kemiska reaktioner producerar tillräckligt med högenergiatomer för att frigöra stor energi, som kan användas för att producera laserverkan.

(8) Frielektronlasrar Dessa typer av lasrar är mer lämpade för att generera strålning med mycket hög effekt än andra typer.Dess arbetsmekanism är annorlunda.Den får tiotals miljoner volt av högenergijusteringselektronstrålar från acceleratorn och passerar genom det periodiska magnetfältet för att bilda energinivåer av olika energitillstånd och generera stimulerad strålning.

(9) Excimerlasrar, fiberstyrda våglasrar, etc.

Laserprincipöversikt och tillämpning

En laser är en enhet som avger laserljus.Den första mikrovågskvantumförstärkaren tillverkades 1954 och en mycket koherent mikrovågsstråle erhölls.1958 utökade AL Xiaoluo och CH Townes principen om mikrovågskvantförstärkare till det optiska frekvensområdet och påpekade metoden för att generera laser.1960 gjorde TH Maiman och andra den första rubinlasern.1961 gjorde A. Jia Wen et al en helium-neonlaser.1962 skapade RN Hall och andra halvledarlasern galliumarsenid.Sedan dess har det blivit fler och fler typer av lasrar.Enligt arbetsmediet kan lasrar delas in i fyra kategorier: gaslasrar, solid state-lasrar, halvledarlasrar och färglasrar.På senare tid har även fria elektronlasrar utvecklats.Arbetsmediet är en höghastighetselektronstråle som rör sig i ett periodiskt magnetfält.Laservåglängden kan täcka ett brett band från mikrovågsugn till röntgen.Enligt arbetsläget finns det flera typer såsom kontinuerlig, pulsad, Q-switchad och ultrakort pulsad.Högeffektlasrar är vanligtvis pulsade utsignaler.Det finns tusentals laservåglängder som emitteras av olika typer av lasrar.Den längsta våglängden är 0,7 mm i mikrovågsbandet, och den kortaste våglängden är 210 ångström i det bortre ultravioletta området.Lasrar i röntgenbandet studeras också.

Förutom för fria elektronlasrar är den grundläggande arbetsprincipen för olika lasrar densamma, och de väsentliga komponenterna i enheten inkluderar excitation (eller pumpning), ett arbetsmedium med metastabila energinivåer och en resonator (se Optisk resonator) 3 delar.Excitation är exciteringen av arbetsmediet till ett exciterat tillstånd efter att ha absorberat extern energi, skapat förutsättningar för att realisera och upprätthålla populationsinversionen.Excitationsmetoderna inkluderar optisk excitation, elektrisk excitation, kemisk excitation och kärnenergiexcitation.Arbetsmediet har en metastabil energinivå så att den stimulerade emissionen dominerar och därigenom realiserar optisk förstärkning.Resonatorn kan få fotonerna i kaviteten att ha samma frekvens, fas och löpriktning, så att lasern har bra riktning och koherens.

Laserarbetsmaterial hänvisar till det materialsystem som används för att uppnå partikeltalsinversion och generera stimulerad strålningsförstärkning av ljus, ibland även kallat laserförstärkningsmedium, vilket kan vara fast (kristall, glas), gas (atomgas, jonisk gas), molekylära gaser ), halvledare och vätskor.Huvudkravet för laserarbetsmaterialet är att uppnå en stor grad av populationsinversion mellan de specifika energinivåerna för dess arbetspartiklar så mycket som möjligt, och att hålla denna inversion så effektivt som möjligt under hela laseremissionsprocessen;För detta ändamål krävs att arbetssubstansen har lämplig energinivåstruktur och övergångsegenskaper.

Excitationssystem (pump) hänvisar till en mekanism eller anordning som tillhandahåller en energikälla för realisering och underhåll av populationsinversionen av laserarbetsmaterialet.Beroende på arbetsmaterialet och laserns driftsförhållanden kan olika excitationsmetoder och exciteringsanordningar användas, och följande fyra är vanliga.① Optisk excitation (optisk pump).Hela excitationsanordningen är vanligtvis sammansatt av en gasurladdningsljuskälla (som xenonlampa, kryptonlampa) och en kondensor.②Gasurladdningsexcitation.Partikeltalsinversionen realiseras av gasutsläppsprocessen som sker i gasarbetsämnet.Hela excitationsanordningen är vanligtvis sammansatt av en urladdningselektrod och en urladdningsströmkälla.③ kemiska incitament.Partikeltalsinversion uppnås genom att använda den kemiska reaktionsprocess som sker inuti arbetsämnet, och kräver vanligtvis lämpliga kemiska reaktanter och motsvarande initieringsåtgärder.④ Kärnenergiincitament.Den använder fissionsfragment, högenergipartiklar eller strålning som produceras av små kärnklyvningsreaktioner för att excitera arbetsämnen och uppnå populationsinversion.

Optiska resonanshålrum är vanligtvis sammansatta av två speglar med vissa geometriska former och optiska reflektionsegenskaper kombinerade på ett specifikt sätt.Funktionerna är: ① Tillhandahåller optisk återkopplingsförmåga, så att stimulerade strålningsfotoner färdas fram och tillbaka i kaviteten många gånger för att bilda en koherent kontinuerlig oscillation.② Riktningen och frekvensen för den fram- och återgående oscillerande strålen i kaviteten är begränsade för att säkerställa att den utgående lasern har en viss riktning och monokromaticitet.Effekten av resonanshålrummet ① bestäms av geometrin (krökningsradien för den reflekterande ytan) och den relativa kombinationen av de två speglarna som vanligtvis utgör kaviteten;Olika ljusfrekvenser har olika selektiva förlustegenskaper.

Flera vanliga lasrar och deras användningsområden beskrivs enligt följande:

Nd: YAG-laser, 1064nm, halvledarlaser, den maximala uteffekten för kontinuerlig laser är 1000W, som kan användas för laserskärning av metall.

Ho: YAG, halvledarlaser som producerar ögonsäkra 2097nm och 2091nm lasrar för radar och medicinska tillämpningar.

He-Ne laser, 632,8nm, gaslaser, effekt på flera mW, används för kollimering, positionering, holografi, etc.

CO2-laser, gaslaser, utgångsvåglängd 10,6um, används ofta i laserbehandling, medicinsk, atmosfärisk kommunikation och andra militära tillämpningar.

N2 molekylär laser, gaslaser, utgående ultraviolett ljus, toppeffekten kan nå tiotals megawatt, pulsbredden är mindre än 10ns och repetitionsfrekvensen är tiotals till kilohertz.Den kan användas som en pumpkälla för avstämbara bränslelasrar och kan även användas för fluorescensanalys., upptäckt av föroreningar osv.

Det finns ungefär tre principer för att uppnå laservåglängdsinställning.De flesta avstämbara lasrar använder arbetsämnen med breda fluorescenslinjer.Resonatorerna som utgör lasern har mycket låga förluster endast i ett mycket smalt våglängdsområde.Därför är det första att ändra våglängden för laserljuset genom att ändra våglängden som motsvarar resonatorns lågförlustregion med vissa element (såsom gitter).Det andra är att ändra energinivån för laserövergången genom att ändra några externa parametrar (som magnetfält, temperatur, etc.).Den tredje är att använda olinjära effekter för att uppnå våglängdsomvandling och inställning (se olinjär optik, stimulerad Raman-spridning, optisk frekvensfördubbling och optisk parametrisk oscillation).Typiska lasrar som hör till den första avstämningsmetoden inkluderar färglasrar, krysoberyllasrar, färgcentrumlasrar, avstämbara högtryckslasrar och excimerlasrar.

Avstämbara lasrar är huvudsakligen indelade i: nuvarande styrteknik, temperaturregleringsteknik och mekanisk styrteknik när det gäller implementeringsteknik.

Bland dem realiserar den elektroniska styrtekniken våglängdsinställning genom att ändra insprutningsströmmen.Den har tuninghastighet på ns-nivå och bred tuningbandbredd, men uteffekten är liten.Hjälpgitter riktad koppling tillbaka-sampling reflektion) laser.Temperaturkontrolltekniken ändrar laserns utgående våglängd genom att ändra brytningsindexet för laserns aktiva område.Tekniken är enkel, men långsam och har en smal avstämbar bandbredd på endast några nm.Baserat på temperaturregleringsteknik finns det främst DFB (distributed feedback) och DBR (distributed Bragg reflection) lasrar.Mekanisk styrning är huvudsakligen baserad på MEMS-teknik (Micro-Electro-Mechanical Systems) för att slutföra val av våglängd, med stor justerbar bandbredd och hög uteffekt.Baserat på mekanisk styrteknik finns det främst DFB (distribuerad återkoppling), ECL (extern kavitetslaser) och VCSEL (vertical cavity surface emitting laser) och andra strukturer.Principerna för avstämbara lasrar från dessa aspekter förklaras nedan.

Baserat på nuvarande styrteknik

Den allmänna principen baserad på strömstyrningsteknologi är att ändra strömmen för fibergittret och fasstyrningsdelen vid olika positioner i den avstämbara lasern, så att det relativa brytningsindexet för fibergittret kommer att förändras, vilket resulterar i olika spektra, som är genereras av olika regioner av fibergittret.Överlagringen av olika spektrum väljer en specifik våglängd, och genererar därigenom den önskade specifika våglängden av laserljus.

En avstämbar laser baserad på nuvarande styrteknik antar SGDBR-strukturen (Sampled Grating Distributed Bragg Reflector).

Denna typ av laser är huvudsakligen uppdelad i ett halvledarförstärkningsområde, ett främre Bragg-gitterområde, ett aktivt område, ett fasjusteringsområde och ett bakre Bragg-gitterområde.Den främre Bragg-gitterregionen, fasjusteringsregionen och den bakre Bragg-gitterregionen ändrar regionens molekylära fördelningsstruktur genom olika strömmar, och ändrar därigenom de periodiska egenskaperna hos Bragg-gittret.

För det spektrum som genereras i den aktiva regionen (Active) bildas spektrumet med liten skillnad i frekvensfördelning i det främre Bragg-gitterområdet respektive det bakre Bragg-gitterområdet.För den erforderliga specifika våglängden av laserljus applicerar den avstämbara lasern olika strömmar till det främre Bragg-gittret respektive det bakre Bragg-gittret, så att endast den specifika våglängden överlappar och andra våglängder inte överlappar spektrumet i dessa två regioner, så att erforderliga specifika våglängder kan matas ut.Samtidigt inkluderar lasern också ett halvledarförstärkarområde, så att den utgående laserljuseffekten av en specifik våglängd kan nå 100mW eller 20mW.

Baserat på mekanisk styrteknik

Baserat på mekanisk styrteknik används MEMS i allmänhet för att uppnå.En avstämbar laser baserad på mekanisk styrteknik antar MEMs-DFB-strukturen.

Stämbara lasrar inkluderar huvudsakligen DFB-lasermatriser, tippbara MEM-speglar och andra kontroll- och hjälpdelar.

För DFB-lasermatrisområdet finns det flera DFB-lasermatriser, som var och en kan generera specifika våglängder fördelade med 25Ghz-intervall inom en bandbredd på cirka 1,0 nm.Den erforderliga specifika våglängden väljs genom att styra rotationsvinkeln för MEMs-linsen för att mata ut den erforderliga specifika våglängden av ljus.

En annan avstämbar laser baserad på VCSEL-struktur ML-serien, dess design är baserad på optiskt pumpad vertikal kavitets ytaemitterande laser, med hjälp av semisymmetrisk kavitetsteknologi, med MEMS för att uppnå kontinuerlig våglängdsinställning.Samtidigt kan stor optisk uteffekt och brett spektralt avstämningsområde erhållas med denna metod, och termistorn och TEC är förpackade för att ha stabil uteffekt i ett brett temperaturområde.En bredbandsvåglängdskontroller är integrerad i samma paket för exakt frekvensstyrning, och front-end-tappad optisk effektdetektor och optisk isolator används för att ge stabil uteffekt.Denna avstämbara laser kan leverera 10/20mW optisk effekt i både C-band och L-band.

Den största nackdelen med avstämbara lasrar baserade på denna princip är att inställningstiden är relativt långsam, vilket i allmänhet kräver en avstämningsstabiliseringstid på flera sekunder.

Baserat på temperaturkontrollteknik

Den temperaturbaserade styrtekniken används huvudsakligen i DFB-strukturen.Principen är att justera temperaturen i laserkaviteten så att den kan avge olika våglängder.

Våglängdsjusteringen av en avstämbar laser baserad på denna principteknik realiseras genom att styra InGaAsP DFB-lasern så att den fungerar vid -5–50℃.Modulen har inbyggd FP etalon och optisk effektdetektering, och lasern för kontinuerlig ljusutgång kan låsas på rutnätet med 50GHz intervall specificerat av ITU.Det finns två oberoende TEC:er i modulen, en används för att styra laserns våglängd och den andra används för att säkerställa konstant temperaturdrift av våglängdsskåpet och effektdetektorn i modulen.Modulen har också en inbyggd SOA för att förstärka den optiska uteffekten.

Nackdelen med denna styrteknologi är att avstämningsbredden för en enskild modul inte är bred, vanligtvis bara några få nm, och avstämningstiden är relativt lång, vilket i allmänhet kräver en avstämningsstabiliseringstid på flera sekunder.

För närvarande använder avstämbara lasrar i princip nuvarande styrteknik, temperaturkontrollteknik eller mekanisk styrteknik, och vissa leverantörer kan använda en eller båda av dessa tekniker.När tekniken utvecklas kan naturligtvis även andra nya avstämbara laserkontrolltekniker dyka upp.
Ange källan.

FANUCI Professionallasersvetsmaskin&laserrengöringsmaskintillverkare.Följ oss för nya uppdaterade videor varje vecka!


Posttid: 26 juli 2022

Ansluta

Ge oss ett skrik
Få e-postuppdateringar