Диодный лазер: Полный гид по работе, типам и возможностям технологии

В диодных лазерах накачивание происходит путем прохождения электрического тока через p-n-переход в полупроводниковой структуре. Когда электрический ток проходит через эту структуру, в зоне перехода создается популяционная инверсия, которая и обеспечивает генерацию лазерного излучения.

• Высокую энергетическую эффективность: Диодные лазеры имеют высокую электрическую-в-оптическую конверсию, что делает их одними из самых эффективных источников лазерного излучения.
• Компактность: Диодные лазеры могут быть очень малыми, что позволяет использовать их в компактных приложениях, таких как лазерные указки или оптические накопители.
• Долговечность: Диодные лазеры обычно имеют очень долгий срок службы и не требуют специального обслуживания.

Однако стоит отметить, что диодные лазеры обычно имеют более узкий диапазон рабочих длин волн по сравнению с другими типами лазеров.

Laser- это аббревиатура Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что означает усиление света с помощью индуцированного излучения. Он представляет собой устройство, которое преобразует электрическую или оптическую энергию в свет. Электрическая или оптическая энергия используется для возбуждения атомов или молекул, которые затем излучают монохроматический (с одной длиной волны) свет.

Принцип работы. Laser состоит из полости с плоскими или сферическими зеркалами на концах, заполненной специальным материалом. Этот материал может быть возбужден до полустабильного состояния с помощью света или электрического разряда. Материал может быть кристаллом, стеклом, жидкостью, красителем или газом, если он может быть возбужден таким образом. Твердотельный laser - это тот, который использует кристалл, атомы которого жестко связаны, в отличие от газа. Кристалл производит свечение, после накачки лампой или другим лазером.

Самая простая полость имеет два зеркала, одно из которых полностью отражает свет, а другое отражает от 50 до 99%. Когда свет отражается между этими зеркалами, его интенсивность увеличивается. Поскольку он движется в том же направлении, что и интенсивный луч, Laser излучает очень яркий пучок. Лучи могут также проецироваться на большие расстояния и могут быть сфокусированы на очень маленьком участке.

Тип зеркала определяет тип луча. Очень яркий, высоко монохроматический и когерентный луч получается, когда одно зеркало пропускает всего 1-2% света. Если используются плоские зеркала, луч сильно коллимирован (частицы движутся параллельно друг другу). Луч выходит около одного конца полости, когда используются вогнутые зеркала. Тип луча в первом случае делает их очень полезными в медицине, поскольку это свойство позволяют врачу более точно нацеливать его в нужную область, избегая повреждения окружающих тканей твердотельных диодные

Одним из способов возбуждения атомов до более высокого энергетического уровня является освещение лазерного материала светом более высокой частоты. В других случаях, известных как оптическая накачка твердотельного лазера, эти твердотельные лазеры используют стержень из твердого кристаллического материала, концы которого отполированы ровно, параллельно друг другу и покрыты зеркалами для отражения лазерного излучения. Ионы подвешены в кристаллической матрице и испускают электроны при возбуждении. Так работают импульсные твердотельные лазеры.

Стороны стержня оставлены чистыми, чтобы пропустить свет от лампы накачки, которая может быть импульсной газовой разрядной лампой (аналогичные используют в стробоскопах), создающей мигающий свет. Первый твердотельный Laser использовал стержень из розового рубина и искусственного кристалла сапфира.

В настоящее время используются два обычных твердотельных лазера:

• Неодим: иттрий-алюминиевый гранат
• Неодим: стекло

Оба используют криптоновые или ксеноновые импульсные лампы для оптической накачки. Яркие вспышки света могут достигать тысяч ватт, а срок службы составляет около 10000 часов

Поскольку их свет может быть сфокусирован на небольшом пятне с большой интенсивностью, маленький импульсный Laser может генерировать достаточно тепла для испарения различных материалов. Таким образом, они используются в различных процессах удаления материала, включая механическую обработку. Например, рубиновые лазеры используются для сверления отверстий в алмазах для штампов волочения проволоки и в сапфирах для подшипников часов.

История создания лазеров. Концепция лазеров была впервые предложена Альбертом Эйнштейном, который показал, что свет состоит из частиц без массы, называемых фотонами. Каждый фотон имеет энергию, соответствующую частоте волн. Чем выше частота, тем больше энергии переносится волнами фотонов. Эйнштейн и еще один ученый по имени С. Н. Бозе разработали теорию явления, при котором фотоны движутся направленно. Это принцип, лежит в основе лазера.

Лазерное воздействие было впервые продемонстрировано в 1954 году лауреатом Нобелевской премии Чарльзом Таунсом и его коллегами. Они проецировали пучок молекул аммиака через систему фокусирующих электродов. Когда мощность микроволнового излучения соответствующей частоты пропускалась через резонатор, происходило усиление и тогда появился термин микроволновое усиление посредством стимулированного излучения. Термин Laser был впервые введен в 1957 году физиком Гордоном Гулдом.

Год спустя Таунс работал с Артуром Шавлоу, и оба предложили использовать название Laser, получив патент на него в 1960 году. В том же году Теодор Майман, физик из исследовательской лаборатории Хьюза, изобрел первый практически работающий Laser. Он был твердотельного типа, в котором использовался розовый рубиновый кристалл, окруженный лампой, заключенной в цилиндрическую полированную алюминиевую полость, охлаждаемую принудительно подаваемым воздухом. Рубиновый цилиндр был отполирован с обоих концов, чтобы быть параллельным с точностью до трети длины волны. Каждый конец был покрыт выпаренным серебром. Он работал в импульсном режиме. Два года спустя был создан непрерывно работающий рубиновый Laser. Он получился при замене лампы производящей вспышки на дуговую лампу, которая испускала свет постоянно.

После того, как Laser Маймана был успешно продемонстрирован публике, другие исследователи испробовали множество других субстратов и редкоземельных элементов для создания лазеров, в том числе эрбий, неодим и даже уран. Были испытаны субстраты иттрий-алюминиевого граната, стекла и фторида кальция. Разработка мощных диодов (устройства, которое формирует когерентный световой поток с использованием электродов или полупроводников) в 1980-х годах привела к появлению полностью твердотельных лазеров.

Существуют в основном три вида ионов металлов, которые могут производить стимулированное излучение в твердом теле:

• Ионы переходных металлов (такие как Cr3 +).
• Большинство ионов металлов лантаноидов (Nd3 +, Sm2 +, Dy2 + и т. д.).
• Ионы металла актинида (такие как U3 +).

Основные характеристики легированных ионов металлов в твердой матрице имеют эффективный спектр поглощения в широкой полосе, высокую эффективность флуоресценции, длительное время жизни флуоресценции и относительно узкие спектры флуоресценции, поэтому легко производить инверсию и вынужденное излучение.

В качестве разновидности искусственной кристаллической матрицы используются.

• Корунд (NaAlSi2O6).
• Иттриево-алюминиевый гранат (Y3Al5, O12).
• Вольфрамат кальция (CaWO4).
• Фторид кальция (CaF2).
• Алюминат иттрия (YAlO3).
• Бериллат лантана (La2Be2O5).
• и т. д.

Стеклянная матрица в основном изготавливается из высококачественного силикатного оптического стекла - бариевое коронное стекло и кальциевое коронное стекло. По сравнению с кристаллической матрицей основными характеристиками стеклянной матрицы являются простота приготовления и легкий доступ к крупногабаритным высококачественным материалам. Основные требования к кристаллу и стеклянной матрице легко включаются в активацию ионов легких металлов; обладает хорошими спектральными характеристиками, оптическим пропусканием и высокими оптическими свойствами (показателем преломления); с физическими и химическими свойствами, подходящими для длительной работы лазера (такими как термические свойства, свойства против разложения, химическая стабильность и т. д.).

Кристаллический Laser представлен Al2O3: Cr3 + и иттриево-алюминиевым гранатом, легированным неодимом (YAG: Nd3 +).

Стеклянные лазеры типичны для лазеров на неодимовом стекле. В настоящее время разработаны и успешно применяются различные типы твердотельных лазеров.

Рабочее вещество твердого лазера, состоящее из оптически прозрачных кристаллов или стекла в качестве основного материала, легированного активированными ионами или другими активными веществами. Рабочие материалы должны иметь хорошие физико-химические свойства, узкие спектры флуоресценции, сильные и широкие полосы поглощения и высокую квантовую эффективность флуоресценции.

Материалы для лазерной обработки стекла легко превращаются в материалы даже больших размеров и могут использоваться в лазерах с высокой энергией или с высокой пиковой мощностью. Но спектр его флуоресценции широк, а его тепловые характеристики плохие, поэтому он не подходит для работы при высокой средней мощности. Обычное стекло Nd имеет силикатное, фосфатное и фторфосфатное стекло. В начале 80-х годов было разработано неодимовое стекло с отрицательным показателем преломления и отрицательным температурным коэффициентом. Может использоваться в лазерах средней и малой энергии с высокой частотой повторения.

Материалы для работы кристаллического лазера обычно имеют хорошие термические и механические свойства, узкие флуоресцентные линии, но технология получения высококачественных материалов большого размера затрудняется ростом кристаллов. С 60-х годов более 300 видов редкоземельных металлов или оксидов ионов переходных металлов и кристаллов фтора были применены для реализации лазерных колебаний. Кристаллы рубина (Cr: Al2O3, длина волны 6943 ангстрем), иттриево-алюминиевый гранат, легированный неодимом (Nd: Y3Al5O12, Nd: YAG, длина волны 1,064 микрона), фторид лития иттрия (LiYF4, YLF; Nd: YLF, длина волны 1,047 или 1,05 микрона ; Ho: Er: Tm: YLF, длина волны 2,06 мкм).

Ангстрем (Å) — единица измерения длины, равная 10 в −10 степени метра.

С 1973 года существует класс самоактивируемых лазерных кристаллов. Их активный ион является химическим компонентом кристалла, поэтому концентрация ионов активации высока и не приводит к гашению флуоресценции. Лазерное усиление кристалла высокое, а порог накачки низкий. Основными разновидностями являются пять фосфорнокислый неодим (NdP5O14), четыре лития фосфата неодим (NdLiP4O12) и борат алюминия неодима (NdAl3 (BO4) 3) и так далее. Они выращены с помощью расплавленной соли, которая имеет небольшие размеры и может быть использована в небольших твердотельных устройствах.

Твердотельный laser использует свет в качестве источника возбуждения. Источник непрерывного возбуждения с криптоновой дуговой лампой, галогенной лампой, калиево идиевая лампа и т. д. В небольших системах с длительным сроком службы в качестве источника возбуждения можно использовать полупроводниковый светодиод или солнечный свет. Некоторые новые твердотельные системы также имеют лазерное возбуждение.

Свет является лишь частью спектра излучения, поглощаемого рабочим веществом, в сочетании с другими потерями, поэтому эффективность преобразования энергии не высока, как правило, от нескольких тысячных до нескольких процентов.

Существует четыре основных типа:

• Твердотельный.
• Газовый СО2.
• На жидких красителях.
• Полупроводниковые.

Твердотельный Laser, состоящий из розового рубинового цилиндрического стержня, концы которого оптически плоские и параллельные. Концы имеют посеребренную поверхность, причем один полностью покрыт частицами серебра, а другой частично. Стержень окружен высокочастотной спиральной импульсной лампой, заполненной газом ксеноном, который достаточно интенсивен, чтобы вызвать его накачку. Состав рубина: Кристаллический оксид алюминия (Al2O3 или основной кристалл), легированные 0,05% атомы хрома (атомы активатора). В кристаллической решетке ионы Al3 замещаются ионами Cr3 , а ионы Cr3 придают красный цвет белому кристаллу Al2O3.

Когда вспышка света с длиной волны 550 нм падает на стержень в течение очень короткого времени (около миллисекунды), ион хрома в основном состоянии поглощает фотон и переходит в возбужденное состояние. Возбужденные ионы переходят в метастабильное состояние очень быстро, так как время жизни ионов в возбужденном состоянии довольно мало. Сам переход в возбужденное состояние не излучает фотоны, поскольку высвобождаемая энергия поглощается кристаллической решеткой, в которой она поглощается, и рассеивается в виде тепла. Но число атомов в метастабильном состоянии продолжает увеличиваться, поскольку время жизни в метастабильном состоянии велико и вскоре количество нестабильных атомов превышает количество атомов в основном состоянии, что приводит к накачке лазера.

После того, как это состояние достигнуто, одного или двух фотонов, выпущенных из-за спонтанного излучения, достаточно, чтобы вызвать стимулированное излучение, и начинается усиление света. Фотоны после многократного отражения от зеркал лазерного резонатора в значительной степени усиливаются и приобретают форму интенсивного пучка.

Интенсивный, направленный, когерентный луч красного света (694,3 нм) выходит из частично посеребренного конца рубинового стержня в виде лазерного луча.

Трудно понять такие большие значения, но мы можем думать о них как о общей мощности всей солнечной энергии Солнца, которая падает на Лондон. Представьте себе, что вся эта солнечная энергия фокусируется на поверхности с толщину человеческого волоса в течение триллионной доли секунды.

LFEX - это только один из серии сверхмощных систем, которые строятся по всему миру: от гигантского 192-лучевого устройства в Калифорнии до лазера CoReLS в Южной Корее.

Существуют и другие проекты на стадии проектирования, из которых наиболее амбициозным, вероятно, является Extreme Light Infrastructure, международная структура в Восточной Европе, направленная на создание лазера, в 10 раз более мощного, чем LFEX.

Эти мощные системы - единственное средство, с помощью которых мы можем воссоздать экстремальные условия космоса, такие как атмосфера звезд, включая наше Солнце, или ядра планет-гигантов, таких как Юпитер. Когда эти сверхмощные лазеры работают на обычном веществе, оно мгновенно испаряется, что приводит к выделению чрезвычайно горячего и плотного ионизованного газа, который ученые называют плазмой. Это экстремальное состояние вещества крайне редко встречается на Земле, но очень распространено в космосе - считается, что почти 99% обычной материи во Вселенной находится в плазменном состоянии.

Сверхмощные системы позволяют нам создавать небольшую копию этих экстремальных состояний и объектов вселенной таким образом, чтобы их можно было контролировать в лаборатории. В некотором смысле, они позволяют нам путешествовать во времени, поскольку лазеры могут воссоздать условия, существующие в ранней вселенной, через несколько минут после Большого взрыва. Эти чрезвычайно плотные и горячие среды, которые могут создавать только сверхмощные лазеры, уже раскрыли много тайн о эволюции нашей вселенной и ее нынешнем состоянии.

С другой стороны, эти установки интересны не только тем, что они вносят вклад в теоретические исследования, они также лежат в основе важнейших технологических применений. Например, текущие исследования в области чистой энергии или здравоохранения.

В отличие от ядерного распада, ядерный синтез не производит радиоактивные отходы. Это означает, что термоядерное топливо гораздо проще хранить и обрабатывать - мы можем использовать морскую воду и литий для получения энергии, которые гораздо удобнее и легче найти, по сравнению с ураном. В настоящее время любое человек может купить небольшой твердотельный Laser и использовать его в своих экспериментах или станках.

Мощность лазера при коррекции зрения зависит от конкретного типа процедуры, а также от индивидуальных особенностей пациента, включая степень его близорукости, дальнозоркости или астигматизма.

Специфические детали, включая мощность лазера, обычно определяются врачом-офтальмологом, который проводит предварительное обследование и консультацию.

Важно помнить, что при использовании лазеров для коррекции зрения необходимо строго соблюдать безопасность, и всегда следует следовать рекомендациям квалифицированного медицинского специалиста.

Например, в случае LASIK, одной из самых популярных форм лазерной коррекции зрения, мощность лазера обычно не измеряется в терминах обычных ватт или милливатт. Вместо этого используется параметр под названием "абляционная глубина", который определяет, насколько глубоко лазер должен "вырезать" ткань роговицы. Эта глубина обычно измеряется в микронах и варьируется в зависимости от степени аномалии зрения. Офтальмолог в каждом отдельном случае высчитывает необходимую абляционную глубину.

Также стоит отметить, что мощность лазера не является единственным параметром, который важен в процессе лазерной коррекции зрения. Также важным является точность целевого лазера, его способность к настройке и качество оборудования в целом.

Медицинские лазеры могут быть использованы в качестве скальпеля. Поскольку ими можно управлять и они имеют небольшую площадь контакта, идеально подходят для точной резки и контроля глубины. Медицинские лазеры также могут быть использованы для повторного соединения сетчатки и могут использоваться в сочетании с волоконной оптикой для точного размещения лазерного луча. Медицинские лазеры также могут быть использованы для сшивания разрезов после операций путем спаивания кожи.

Лазерные шоу довольно популярны, а их спецэффекты потрясающие. Они находятся в видимом спектре вместе с зеркалами, для прорисовки изображений в воздухе. Другим примером является использование вывесок на выставках.

Одним из популярных применений лазеров является чтение CD и DVD дисков. Работа CD заключается в наличии отражающего алюминиевого слоя с очень маленькими углублениями, внедренными в алюминий. Углубления и их отсутствие переводятся компьютером в двоичную кодировку, а затем используются для получения информации. Также лазеры используют для передачи данных. Поскольку свет выходящий из лазера движется очень быстро, он создаёт идеальный способ передачи информации. Вы видели или уже пользуетесь оптоволоконными кабелями для высокоскоростного доступа в Интернет тип твердотельных диодные.

Они очень точны, что делает их идеальными для промышленного производства. Можно использовать диодный Laser для резки металла и сваривать с его помощью разнородные металлы без использования флюса. Также они могут быть установлены на роботизированные станки и использоваться на конвейерах. Они намного безопаснее, чем кислород и ацетилен, или дуговая сварка.

Оптоволоконные - это устройства, которые генерируют свет особого вида. Луч является коллимированным, что означает, что его лучи являются параллельными и монохроматическими, имеющими только одну длину волны. Кроме того, луч когерентен: все его световые волны синхронизированы.

Все они состоят из усиливающей среды, источника, который накачивает энергию в усиливающую среду, и двух зеркал, которые отражают свет внутри, пока он не приобретет все свойства, ожидаемые от лазерного луча.

Волоконный laser отличается от других - он имеет волоконно-оптическую среду усиления, которая легирована редкоземельными элементами. Роль этих редкоземельных элементов заключается в изменении длины волны для конкретного спектра. Иттербиевый волоконный лазер является одним из самых популярных.
Система накачки состоит из нескольких лазерных диодов. Их свечение направляется в усиливающую среду с помощью сращенной при нагревании волоконной оптики.

Сами зеркала на самом деле представляют собой сеть щелей, которые преломляют часть света, проходящего туда и обратно, заменяя обычные зеркала. Эти сети щелей называются сетью Брэгга.

Лазеры имеют ряд преимуществ, которые делают их неотъемлемой частью многих научных, промышленных и медицинских процедур:

1. Высокая точность: Лазеры могут быть настроены на очень маленький, концентрированный луч, что позволяет выполнять сложные и детализированные работы. Это особенно полезно в медицинских процедурах, таких как лазерная коррекция зрения, где необходима высокая точность.
   
2. Управляемость: Лазерные лучи можно управлять и направлять с высокой степенью точности, что позволяет их использовать в широком диапазоне приложений, от точных медицинских процедур до режимов промышленного производства.
   
3. Минимальная инвазивность: В медицине лазеры часто используются в минимально инвазивных процедурах, которые меньше повреждают ткани и обеспечивают быстрое восстановление.
   
4. Скорость и эффективность: Лазеры могут быстро и эффективно обрабатывать материалы в промышленности, например, при резке металлов или при сварке.
   
5. Широкий спектр использования: Лазеры используются в множестве областей, включая медицину, промышленность, научные исследования, телекоммуникации и даже искусство.
   
6. Бесконтактная обработка: Лазеры могут работать на расстоянии, что позволяет обрабатывать материалы, которые могут быть опасны или недоступны для прямого контакта.
   

Но важно помнить, что несмотря на эти преимущества, у лазеров есть свои ограничения и риски, которые необходимо учитывать при их использовании.

Лазеры широко используются в многих областях, от медицины до промышленности и науки. Однако, как и любая технология, они имеют свои недостатки:

1. Опасность для зрения: Лазерные лучи могут быть очень опасными для глаз, если ими неправильно пользоваться. Некоторые типы лазеров могут вызвать непоправимые повреждения сетчатки.
   
2. Сложность в обслуживании: Некоторые лазеры требуют тщательного и сложного обслуживания и могут требовать специальной подготовки для их использования.
   
3. Высокая стоимость: Лазерные устройства могут быть дорогими в покупке и обслуживании. В медицинском контексте, стоимость лазерной коррекции зрения может быть значительной.
   
4. Потребность в энергии: Лазеры могут потреблять много энергии, особенно мощные промышленные лазеры.
   
5. Тепловое воздействие: Лазеры могут генерировать значительное количество тепла, что требует эффективного охлаждения для предотвращения повреждения оборудования или вреда пользователям.
   
6. Специфичность использования: Некоторые лазеры эффективны только для очень узких или специфических применений, что ограничивает их универсальность.
   
7. Риск повреждения тканей при медицинском использовании: При использовании в медицинских целях, в том числе при лазерной коррекции зрения, существует риск повреждения окружающих тканей. Кроме того, как и любая хирургическая процедура, лазерная коррекция зрения может иметь побочные эффекты и осложнения, включая инфекции, зуд, затрудненное ночное видение и другие.

Конечно, многие из этих недостатков могут быть минимизированы с помощью правильной подготовки, использования и обслуживания. Некоторые недостатки также могут быть компенсированы преимуществами, которые лазеры предоставляют, включая их высокую точность и способность выполнять сложные задачи, которые невозможно выполнить традиционными средствами.