Principio de funcionamiento y aplicación del láser de estado sólido

Láser sólidoes un láser que utiliza material láser sólido como sustancia de trabajo. El láser de rubí inventado por TH Maiman en 1960 era un láser de estado sólido y el primer láser del mundo. Los láseres sólidos generalmente constan de material de trabajo del láser, fuente de excitación, cavidad de enfoque, reflector de cavidad resonante y fuente de alimentación.

El material de trabajo sólido utilizado en este tipo de láser se fabrica dopando iones metálicos que pueden producir una emisión estimulada en el cristal. Hay tres tipos principales de iones metálicos que pueden producir emisión estimulada en sólidos: (1) iones de metales de transición (como Cr3 plus); (2) la mayoría de los iones metálicos lantánidos (como Nd3 plus, Sm2 plus, Dy2 plus, etc.); (3) actinio Es un ion metálico (como U3 plus). Las principales características de estos iones metálicos dopados en la matriz sólida son: banda espectral de absorción efectiva relativamente amplia, eficiencia de fluorescencia relativamente alta, vida útil de fluorescencia relativamente larga y líneas espectrales de fluorescencia relativamente estrechas, por lo que son propensos a la inversión del número de partículas y a la emisión estimulada. Los cristales artificiales utilizados como matriz cristalina incluyen principalmente: corindón (NaAlSi2O6), granate de itrio y aluminio (Y3Al5, O12), tungstato de calcio (CaWO4), fluoruro de calcio (CaF2), etc., así como aluminato de itrio (YAlO3), berilio y lantano. ácido (La2Be2O5), etc. El sustrato de vidrio utilizado es principalmente vidrio óptico de silicato de alta calidad, como el vidrio de corona de bario y el vidrio de corona de calcio de uso común. En comparación con las matrices cristalinas, las principales características de las matrices de vidrio son la facilidad de preparación y la fácil disponibilidad de materiales de alta calidad en tamaños grandes. Los principales requisitos para cristales y sustratos de vidrio son: fácil incorporación de iones metálicos luminiscentes para su activación; buenas características espectrales, características de transmitancia óptica y un alto grado de uniformidad óptica (índice de refracción); propiedades físicas adecuadas para el funcionamiento del láser a largo plazo y propiedades químicas (como propiedades térmicas, propiedades antidegradación, estabilidad química, etc.). Los láseres de cristal suelen estar representados por rubí (Al2O3: Cr3 plus) y granate de itrio y aluminio dopado con neodimio (abreviado como YAG: Nd3 plus). Los láseres de vidrio suelen estar representados por láseres de vidrio de neodimio.

Material de trabajo láser sólido

El material de trabajo de un láser de estado sólido se compone de un cristal ópticamente transparente o vidrio como material matriz, dopado con iones activadores u otras sustancias activantes. Esta sustancia de trabajo debería tener generalmente buenas propiedades físico-químicas, líneas espectrales de fluorescencia estrechas, bandas de absorción anchas y fuertes y una alta eficiencia cuántica de fluorescencia.

Los materiales de trabajo láser de vidrio se convierten fácilmente en materiales uniformes de gran tamaño y se pueden utilizar en láseres de alta energía o de alta potencia máxima. Sin embargo, su línea de espectro de fluorescencia es más amplia y su rendimiento térmico es deficiente, lo que lo hace inadecuado para trabajar con una potencia media elevada. Los vidrios de neodimio comunes incluyen vidrios de silicato, fosfato y fluorofosfato. A principios de la década de 1980, se desarrolló con éxito vidrio de neodimio con un coeficiente de temperatura de índice de refracción negativo, que puede utilizarse en láseres de energía media y pequeña con altas tasas de repetición.

Los materiales de trabajo con láser de cristal generalmente tienen buenas propiedades térmicas y mecánicas y líneas espectrales de fluorescencia estrechas, pero la tecnología de crecimiento de cristales para obtener materiales de gran tamaño y alta calidad es complicada. Desde la década de 1960, más de 300 tipos de cristales de óxido y fluoruro dopados con diversos metales de tierras raras o iones de metales de transición han logrado oscilación láser. Los cristales láser comúnmente utilizados incluyen rubí (Cr:Al2O3, longitud de onda 6943 Angstroms), granate de itrio-aluminio dopado con neodimio (Nd:Y3Al5O12, denominado Nd:YAG, longitud de onda 1,064 micrones), fluoruro de litio-itrio (LiYF4, denominado YLF; Nd:YLF, longitud de onda 1,047 o 1,05 micras; Ho:Er:Tm:YLF, longitud de onda 2,06 micras), etc.

Desde 1973 existe otro tipo de cristal láser autoactivado. Sus iones activados son un componente químico del cristal, por lo que la concentración de iones activados es alta y no se producirá extinción de la fluorescencia. Este cristal tiene una alta ganancia de láser y un bajo umbral de extracción. Las principales variedades incluyen pentafosfato de neodimio (NdP5O14), tetrafosfato de neodimio y litio (NdLiP4O12) y borato de neodimio y aluminio (NdAl3(BO4)3). En su mayoría se cultivan mediante el método de sales fundidas y tienen cristales de tamaño pequeño, por lo que pueden usarse en pequeños láseres de estado sólido.

Se ha desarrollado una variedad de cristales láser sintonizables con características de fluorescencia de banda ancha, como el crisoberilo con transición de fonón terminal (Cr:BeAl2O4, longitud de onda 0.701-0.815 micrones, que funciona a temperatura ambiente), níquel- fluoruro de magnesio dopado (Ni: MgF2, longitud de onda 1,6 ~ 1,8 micrones, trabajando a baja temperatura), fluoruro de litio-itrio dopado con cerio con transición 5d→4f (Ce:YLF, longitud de onda 0.306 ~0.315 micrones, excitado por un láser excimer, que funciona a temperatura ambiente) y el centro de color del cristal láser de haluro alcalino (cloruro de potasio dopado o no dopado, fluoruro de litio, etc., longitud de onda de 0,8 a 3,9 micrones, en su mayoría en funcionamiento). a baja temperatura).

Fuente de excitación láser sólida

Los láseres sólidos utilizan la luz como fuente de excitación. Las fuentes de excitación por impulsos comúnmente utilizadas incluyen lámparas de destellos cargadas de xenón; Las fuentes de excitación continua incluyen lámparas de arco de criptón, lámparas de yodo tungsteno, lámparas de rubidio potásico, etc. En láseres pequeños de larga duración, se pueden utilizar diodos emisores de luz semiconductores o luz solar como fuentes de excitación. Algunos láseres de estado sólido nuevos también utilizan excitación láser.

Dado que el material de trabajo sólo absorbe una parte del espectro de emisión de la fuente de luz, además de otras pérdidas, la eficiencia de conversión de energía de los láseres de estado sólido no es alta, generalmente entre unas pocas milésimas y un pequeño porcentaje.

Características del láser sólido

Los láseres sólidos se pueden utilizar como fuentes de luz coherente de alta energía y potencia. La energía de salida del láser de pulso de rubí puede alcanzar el nivel de kilojulios. El sistema láser de vidrio de neodimio amplificado de múltiples etapas y conmutado Q tiene una potencia de pulso máxima de 10 vatios. La potencia de salida del láser continuo de granate de itrio y aluminio puede alcanzar cientos de vatios y la conexión en serie de varias etapas puede alcanzar kilovatios.

Los láseres de estado sólido utilizan tecnología de conmutación Q (modulación de luz visible) para obtener pulsos cortos que van desde nanosegundos hasta cientos de nanosegundos, y utilizan tecnología de bloqueo de modo para obtener pulsos ultracortos que van desde picosegundos hasta cientos de picosegundos.

Debido a la falta de homogeneidad óptica del material de trabajo y otras razones, la salida de los láseres de estado sólido generales es multimodo. Si se selecciona el material de trabajo con buena uniformidad óptica y se diseña cuidadosamente la cavidad resonante y se toman otras medidas técnicas, se puede obtener el láser de modo transversal fundamental (TEM00) con un ángulo de divergencia del haz cercano al límite de difracción. , y también se puede obtener un láser de modo longitudinal único.

Aplicaciones y tendencias del láser de estado sólido.

Los láseres de estado sólido tienen una amplia gama de usos en los campos de investigación militar, de procesamiento, médico y científico. Se utiliza comúnmente en medición, seguimiento, guía, perforación, corte y soldadura, recocido de materiales semiconductores, microprocesamiento de dispositivos electrónicos, detección atmosférica, investigación espectroscópica, cirugía y cirugía oftálmica, diagnóstico de plasma, holografía de pulso y fusión láser, etc. . . Los láseres de estado sólido también se utilizan como fuentes de excitación para láseres de colorantes sintonizables.

La tendencia de desarrollo de los láseres de estado sólido es la diversificación de materiales y dispositivos, incluida la búsqueda de nuevas longitudes de onda y nuevos materiales de trabajo con longitudes de onda operativas sintonizables, mejorando la eficiencia de conversión del láser, aumentando la potencia de salida, mejorando la calidad del haz, comprimiendo El ancho del pulso, mejorando la confiabilidad y prolongando la vida útil.

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