Características y aplicaciones de varios láseres.

La tecnología láser ha entrado en la vida de las personas desde todos los aspectos, pero existen muchos tipos deLáseres, cada uno con diferentes longitudes de onda y características, por lo que los campos de aplicación también son diferentes.

Según el medio de trabajo, los láseres se dividen en seis tipos: láseres sólidos, láseres de gas, láseres de colorantes, láseres semiconductores, láseres de fibra y láseres de electrones libres. Entre ellos, los láseres sólidos y los láseres de gas tienen muchas subdivisiones. A excepción de los láseres de electrones libres, los principios básicos de funcionamiento de varios láseres son los mismos e incluyen tres partes: fuente de bombeo, cavidad resonante óptica y medio de ganancia.

Láseres sólidos, la luz se utiliza generalmente como fuente de bombeo y el cristal o vidrio que puede generar láser se denomina material de trabajo láser. El material de trabajo del láser consta de dos partes: matriz e iones de activación. El material de la matriz proporciona una existencia y un entorno de trabajo adecuados para los iones de activación, y los iones de activación completan el proceso de generación del láser. Los iones de activación utilizados habitualmente son principalmente iones de metales de transición, como iones de cromo, cobalto, níquel e iones de metales de tierras raras, como iones de neodimio. Como lente de cavidad resonante se utiliza un reflector con una película dieléctrica en la superficie, uno de los cuales es un reflector completo y el otro es medio reflector. Cuando se utilizan diferentes iones de activación, diferentes materiales de matriz y diferentes longitudes de onda de luz para la excitación, se emitirán láseres de varias longitudes de onda.

1. Láser de rubí
La longitud de onda del láser de salida es de 694,3 nm y la tasa de conversión fotoeléctrica es baja, solo 0.1%. Sin embargo, su vida de fluorescencia es larga, lo que favorece el almacenamiento de energía y puede generar una potencia máxima de pulso más alta. El láser generado por una varilla de rubí tan delgada como el núcleo de un bolígrafo y tan larga como un dedo puede penetrar fácilmente una lámina de hierro. Antes de la aparición de láseres YAG más eficientes, los láseres de rubí se utilizaban ampliamente en el corte y la perforación por láser. Además, la melanina absorbe fácilmente la luz de 694 nm, por lo que el láser de rubí también se utiliza para tratar lesiones pigmentadas (manchas en la piel).
2. Láser de zafiro de titanio
Debido a sus propiedades cristalinas, tiene un amplio rango sintonizable (es decir, rango de longitud de onda ajustable) y puede emitir luz con una longitud de onda de 660 nm-1200nm según sea necesario. Con la madurez de la tecnología de duplicación de frecuencia (que puede duplicar la frecuencia de la luz, es decir, reducir a la mitad la longitud de onda), el rango de longitud de onda se puede ampliar a 330 nm-600nm. Los láseres de zafiro de titanio se utilizan para espectroscopia de femtosegundos, investigación óptica no lineal, generación de luz blanca, generación de ondas de terahercios, etc., y también se utilizan en belleza médica.
3. Láser Nd:YAG
YAG es la abreviatura de granate de itrio y aluminio. Este material es la matriz de cristal láser con mejores características integrales en la actualidad. Después de ser dopado con neodimio (Nd), puede emitir luz de 1064 nm y la potencia máxima de salida continua puede alcanzar los 1000 w. En los primeros días, se utilizaban lámparas de destello de gas inerte como fuente de bombeo de láseres, pero el método de bombeo de la lámpara de destello tiene un amplio rango espectral, una escasa superposición con el espectro de absorción del medio de ganancia del láser y una gran carga de calor, lo que resulta en Baja eficiencia de conversión fotoeléctrica. Por lo tanto, ahora se utiliza el bombeo LD (diodo láser) para lograr una alta eficiencia, alta potencia y una larga vida útil del láser. Los láseres Nd:YAG se pueden utilizar para tratar hemangiomas e inhibir el crecimiento tumoral. Sin embargo, este láser produce daños térmicos no selectivos en los tejidos. Mientras coagula los vasos sanguíneos del tumor, el exceso de energía también dañará los tejidos normales circundantes y es probable que queden cicatrices después de la cirugía. Por lo tanto, los láseres Nd:YAG se utilizan principalmente en cirugía, ginecología y otorrinolaringología, pero rara vez en dermatología.
4.Yb:láser YAG
Yb:YAG, YAG está dopado con iterbio (Yb), que puede emitir luz de 1030 nm. La longitud de onda de la bomba de Yb:YAG es de 941 nm, que está muy cerca de la longitud de onda de salida y puede alcanzar una eficiencia cuántica de la bomba del 91,4 %. El calor generado por la bomba se suprime a menos del 10% (la mayor parte de la energía de entrada se convierte en energía del láser de salida y una pequeña parte se convierte en calor, lo que significa que la eficiencia de conversión es muy alta), que es 25 % al 30% de Nd:YAG. Yb:YAG se ha convertido en uno de los medios láser sólidos más llamativos. Los láseres sólidos Yb:YAG de alta potencia bombeados por LD se han convertido en un nuevo punto de investigación y se consideran una dirección importante para el desarrollo de láseres sólidos de alta eficiencia y alta potencia.

Además de los dos tipos anteriores, YAG también se puede dopar con holmio (Ho), erbio (Er), etc. Ho:YAG puede producir láseres de 2097 nm y 2091 nm que son seguros para los ojos humanos, principalmente adecuados para comunicaciones ópticas, radares y aplicaciones médicas. Er:YAG emite una luz de 2,9 μm y el cuerpo humano tiene una alta tasa de absorción para esta longitud de onda, por lo que tiene un gran potencial de aplicación en cirugía láser y cirugía vascular.

Láseres de gasson láseres que utilizan gas como medio de ganancia, generalmente bombean descarga de gas (similar a los láseres de estado sólido, por lo que no entraré en detalles). Los tipos de gases incluyen gases atómicos (láseres de helio-neón, láseres de iones de gases nobles, láseres de vapor metálico), gases moleculares (láseres de nitrógeno, láseres de dióxido de carbono), gases excímeros y láseres de gases especiales que proporcionan energía de bombeo a través de reacciones químicas.

1. Láseres He-Ne
El láser HeNe (HeNe) utiliza una mezcla de gases de más del 75% de He y menos del 15% de Ne como medio de ganancia. Dependiendo del entorno de trabajo, puede emitir luces verdes (543,5 nm), amarillas (594,1 nm), naranja (612,{7}} nm), rojas (632,8 nm) y tres luces de infrarrojo cercano (1152 nm, 1523 nm y 3391 nm). ), de los cuales la luz roja (632,8 nm) es la más utilizada. La salida del haz del láser de HeNe tiene una distribución gaussiana y la calidad del haz es muy estable. Aunque la potencia no es alta, tiene un buen desempeño en el campo de la medición de precisión.

2. Láser de gas inerte
Los láseres de gas inerte comunes son los iones de argón (Ar+) y los iones de criptón (Kr+). Su tasa de conversión de energía puede alcanzar hasta el 0.6% y puede generar 30-50w de energía de forma continua y estable durante mucho tiempo, con una vida útil de más de 1000 h. Se utiliza principalmente en campos de investigación como visualización láser, espectroscopia Raman, holografía, óptica no lineal, así como diagnóstico médico, separación de colores de impresión, metrología, procesamiento de materiales y procesamiento de información.

3. Láser de vapor de metal
Los láseres de vapor de metal toman como ejemplo el vapor de cobre. Los láseres de vapor de cobre emiten principalmente luz verde (510,5 nm) y luz amarilla (578,2 nm), que pueden alcanzar una potencia promedio de 100 w y una potencia máxima de 100 kw. Su principal área de aplicación es la fuente de bombeo de láseres de tinte. Además, también se puede utilizar para fotografía con flash de alta velocidad, televisores de proyección de pantalla grande y procesamiento de materiales.

4. Láser molecular de nitrógeno
El láser molecular de nitrógeno utiliza nitrógeno como medio de ganancia y puede emitir luz ultravioleta de 337,1 nm, 357,7 nm y 315,9 nm, con una potencia máxima de hasta 45 kW. Puede usarse como fuente de luz de bomba para láseres de tintes orgánicos y también se usa ampliamente en la separación láser de isótopos, diagnóstico de fluorescencia, fotografía de ultra alta velocidad, detección de contaminación, atención médica, cría agrícola y otros aspectos. Debido a que su longitud de onda corta facilita el enfoque para obtener un punto pequeño, también se puede utilizar para procesar componentes submicrónicos.

5. Láser de dióxido de carbono
El medio de ganancia utilizado en los láseres de dióxido de carbono es dióxido de carbono mezclado con helio y nitrógeno, que puede emitir luz infrarroja lejana centrada en longitudes de onda de 9,6 μm y 10,6 μm. La tasa de conversión de energía de los láseres de dióxido de carbono es alta y la potencia de salida puede variar desde unos pocos vatios hasta decenas de miles de vatios. Junto con la calidad extremadamente alta del haz, los láseres de dióxido de carbono se utilizan ampliamente en el procesamiento de materiales, la investigación científica, la defensa nacional y la medicina.

6. ExcímerosSon moléculas inestables. Cuando se llena la cavidad resonante con una mezcla de diferentes gases raros y gases halógenos, se generan láseres de diferentes longitudes de onda. Para lograr la excitación se utilizan comúnmente haces de electrones relativistas (energía superior a 200 kiloelectrones voltios) o descargas de pulsos rápidos transversales. Cuando los enlaces moleculares inestables de los excímeros excitados se rompen y se disocian en átomos en estado fundamental, la energía del estado excitado se libera en forma de radiación láser. Es ampliamente utilizado en medicina, comunicaciones ópticas, pantallas de semiconductores, teledetección, armas láser y otros campos.

Láseres químicosson un tipo especial de láseres de gas, es decir, láseres que utilizan la energía liberada por reacciones químicas para lograr la inversión de poblaciones. La mayoría de estos láseres funcionan en modo de transición molecular, con un rango de longitud de onda típico que va del infrarrojo cercano al infrarrojo medio. Los dispositivos más importantes son el fluoruro de hidrógeno (HF) y el fluoruro de deuterio (DF). El primero puede generar más de 15 líneas espectrales de entre 2,6 y 3,3 micrones; este último tiene unas 25 líneas espectrales de entre 3,5 y 4,2 micras. Actualmente, ambos dispositivos pueden alcanzar una potencia de varios megavatios. Debido a su enorme energía, generalmente se utilizan en ingeniería nuclear y en campos militares.

Láseres de tinteSon láseres que utilizan colorantes orgánicos como medio láser, normalmente una solución líquida. En comparación con los medios láser gaseosos y sólidos, los láseres de colorantes generalmente se pueden utilizar en un rango de longitud de onda más amplio. Debido a su amplio ancho de banda, son especialmente adecuados para láseres sintonizables y láseres pulsados. Sin embargo, debido a su corta vida media y su potencia de salida limitada, han sido básicamente reemplazados por láseres sólidos sintonizables en longitud de onda, como el zafiro de titanio.

Láseres semiconductoresSon láseres que utilizan materiales semiconductores como materiales de trabajo. Los métodos de excitación incluyen inyección eléctrica, excitación por haz de electrones y bombeo óptico. Son de tamaño pequeño, precio bajo, alta eficiencia, larga vida útil y bajo consumo de energía. Se pueden utilizar en información electrónica, impresión láser, bolígrafos láser, comunicaciones ópticas, televisores láser, pequeños proyectores láser, información electrónica, óptica integrada y otros campos. Son el tipo de láser más práctico e importante.

Láseres de fibrase refiere a un láser que utiliza fibra de vidrio dopada con tierras raras como medio de ganancia. Tiene una amplia gama de aplicaciones, que incluyen comunicaciones por fibra láser, comunicaciones espaciales por láser a larga distancia, construcción naval industrial, fabricación de automóviles, grabado láser, marcado láser, corte por láser, fabricación de rodillos de impresión, perforación, corte y soldadura de metales y no metales ( soldadura de latón, temple, revestimiento y soldadura profunda), seguridad de defensa militar, equipos e instrumentos médicos, infraestructura a gran escala, como fuente de bombeo para otros láseres, etc.

Láseres de electrones libreses un nuevo tipo de fuente de radiación coherente de alta potencia diferente de los láseres tradicionales. No necesita gas, líquido o sólido como material de trabajo, sino que convierte directamente la energía cinética del haz de electrones de alta energía en energía de radiación coherente. Por tanto, también se puede considerar que el material de trabajo del láser de electrones libres son los electrones libres. Tiene una serie de características excelentes, como alta potencia, alta eficiencia, ajuste de amplio rango de longitud de onda y estructura de tiempo de pulso ultracorto. Excepto éste, ningún otro láser puede tener estas características al mismo tiempo. Tiene perspectivas muy prometedoras en los campos de la investigación física, las armas láser, la fusión láser, la fotoquímica, las comunicaciones ópticas, etc.

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