Características e aplicações de vários lasers

A tecnologia laser entrou na vida das pessoas em todos os aspectos, mas existem muitos tipos deLasers, cada um com comprimentos de onda e características diferentes, portanto os campos de aplicação também são diferentes.

De acordo com o meio de trabalho, os lasers são divididos em seis tipos: lasers sólidos, lasers a gás, lasers de corante, lasers semicondutores, lasers de fibra e lasers de elétrons livres. Entre eles, os lasers sólidos e os lasers a gás possuem muitas subdivisões. Exceto para lasers de elétrons livres, os princípios básicos de funcionamento de vários lasers são os mesmos, incluindo três partes: fonte de bomba, cavidade ressonante óptica e meio de ganho.

Lasers Sólidos, a luz é geralmente usada como fonte de bomba, e o cristal ou vidro que pode gerar laser é chamado de material de trabalho a laser. O material de trabalho do laser consiste em duas partes: matriz e íons de ativação. O material da matriz fornece uma existência e um ambiente de trabalho adequados para os íons de ativação, e os íons de ativação completam o processo de geração do laser. Os íons de ativação comumente usados ​​são principalmente íons de metais de transição, como cromo, cobalto, íons de níquel e íons de metais de terras raras, como íons de neodímio. O refletor com filme dielétrico na superfície é utilizado como lente da cavidade ressonante, sendo um refletor completo e o outro meio refletor. Quando diferentes íons de ativação, diferentes materiais de matriz e diferentes comprimentos de onda de luz são usados ​​para excitação, lasers de vários comprimentos de onda serão emitidos.

1. Laser rubi
O comprimento de onda do laser de saída é 694,3 nm e a taxa de conversão fotoelétrica é baixa, apenas 0,1%. No entanto, sua vida de fluorescência é longa, o que favorece o armazenamento de energia e pode produzir maior potência de pico de pulso. O laser gerado por uma haste de rubi tão fina quanto o núcleo de uma caneta e do tamanho de um dedo pode penetrar facilmente na chapa de ferro. Antes do surgimento dos lasers YAG mais eficientes, os lasers de rubi eram amplamente utilizados em corte e perfuração a laser. Além disso, a luz de 694 nm é facilmente absorvida pela melanina, por isso os lasers de rubi também são usados ​​para tratar lesões pigmentadas (manchas na pele).
2. Laser de safira de titânio
Devido às suas propriedades cristalinas, ele possui uma ampla faixa ajustável (ou seja, faixa de comprimento de onda ajustável) e pode emitir luz com comprimento de onda de 660 nm-1200nm conforme necessário. Com a maturidade da tecnologia de duplicação de frequência (que pode dobrar a frequência da luz, ou seja, reduzir pela metade o comprimento de onda), a faixa de comprimento de onda pode ser expandida para 330 nm-600nm. Lasers de safira de titânio são usados ​​para espectroscopia de femtossegundos, pesquisa óptica não linear, geração de luz branca, geração de ondas terahertz, etc., e também são usados ​​em beleza médica.
3. Laser Nd:YAG
YAG é a abreviatura de granada de ítrio e alumínio. Este material é a matriz de cristal laser com as melhores características abrangentes atualmente. Depois de ser dopado com neodímio (Nd), ele pode produzir luz de 1064 nm e a potência máxima de saída contínua pode chegar a 1000 W. No início, lâmpadas flash de gás inerte eram usadas como fonte de bombeamento de lasers, mas o método de bombeamento da lâmpada flash tem uma ampla faixa espectral, fraca sobreposição com o espectro de absorção do meio de ganho do laser e uma grande carga de calor, resultando em baixa eficiência de conversão fotoelétrica. Portanto, o bombeamento LD (diodo laser) é agora usado para obter alta eficiência, alta potência e longa vida útil do laser. Os lasers Nd:YAG podem ser usados ​​para tratar hemangiomas e inibir o crescimento tumoral. No entanto, este laser causa danos térmicos não seletivos aos tecidos. Ao coagular os vasos sanguíneos do tumor, o excesso de energia também danificará os tecidos normais circundantes, e é provável que permaneçam cicatrizes após a cirurgia. Portanto, os lasers Nd:YAG são usados ​​principalmente em cirurgia, ginecologia e otorrinolaringologia, mas raramente em dermatologia.
4.Yb:Laser YAG
Yb:YAG, YAG é dopado com itérbio (Yb), que pode produzir luz de 1030nm. O comprimento de onda da bomba de Yb:YAG é 941nm, que está muito próximo do comprimento de onda de saída, e pode atingir uma eficiência quântica da bomba de 91,4%. O calor gerado pela bomba é suprimido para menos de 10% (a maior parte da energia de entrada é convertida na energia do laser de saída e uma pequena parte se transforma em calor, o que significa que a eficiência de conversão é muito alta), que é 25 % a 30% de Nd:YAG. Yb:YAG se tornou uma das mídias laser sólidas mais atraentes. Os lasers sólidos Yb:YAG de alta potência bombeados por LD tornaram-se um novo ponto de pesquisa e são considerados uma direção importante para o desenvolvimento de lasers sólidos de alta eficiência e alta potência.

Além dos dois tipos acima, o YAG também pode ser dopado com hólmio (Ho), érbio (Er), etc. Ho:YAG pode produzir lasers de 2.097 nm e 2.091 nm que são seguros para os olhos humanos, principalmente adequados para comunicações ópticas, radar e aplicações médicas. Er:YAG emite luz de 2,9 μm e o corpo humano tem uma alta taxa de absorção para esse comprimento de onda, portanto tem grande potencial de aplicação em cirurgia a laser e cirurgia vascular.

Lasers a gássão lasers que usam gás como meio de ganho, geralmente bombeando descargas de gás (semelhantes aos lasers de estado sólido, então não entrarei em detalhes). Os tipos de gases incluem gases atômicos (lasers de hélio-néon, lasers de íons de gases nobres, lasers de vapor metálico), gases moleculares (lasers de nitrogênio, lasers de dióxido de carbono), gases excimer e lasers de gases especiais que fornecem bombeamento de energia por meio de reações químicas.

1. Lasers He-Ne
O laser HeNe (HeNe) usa uma mistura de gás com mais de 75% de He e menos de 15% de Ne como meio de ganho. Dependendo do ambiente de trabalho, pode emitir verde (543,5nm), amarelo (594,1nm), laranja (612.0nm), vermelho (632,8nm) e três luzes infravermelhas próximas (1152nm, 1523nm e 3391nm ), dos quais a luz vermelha (632,8 nm) é a mais comumente usada. A saída do feixe do laser HeNe é distribuída gaussiana e a qualidade do feixe é muito estável. Embora a potência não seja alta, tem um bom desempenho na área de medição de precisão.

2. Laser de gás inerte
Lasers de gás inerte comuns são íons de argônio (Ar+) e íons de criptônio (Kr+). Sua taxa de conversão de energia pode chegar a 0,6% e pode produzir 30-50w de energia de forma contínua e estável por um longo tempo, com uma vida útil de mais de 1.000 horas. É usado principalmente em áreas de pesquisa como display laser, espectroscopia Raman, holografia, óptica não linear, bem como diagnóstico médico, impressão de separação de cores, metrologia, processamento de materiais e processamento de informações.

3. Laser de vapor metálico
Os lasers de vapor de metal tomam o vapor de cobre como exemplo. Os lasers de vapor de cobre emitem principalmente luz verde (510,5 nm) e luz amarela (578,2 nm), que pode atingir uma potência média de 100 W e uma potência de pico de 100 kW. Sua principal área de aplicação é a fonte de bombeamento de lasers de corante. Além disso, também pode ser usado para fotografia com flash de alta velocidade, televisores de projeção de tela grande e processamento de materiais.

4. Laser molecular de nitrogênio
O laser molecular de nitrogênio usa nitrogênio como meio de ganho e pode emitir luz ultravioleta de 337,1 nm, 357,7 nm e 315,9 nm, com potência de pico de até 45 kW. Pode ser usado como fonte de luz de bomba para lasers de corante orgânico e também é amplamente utilizado na separação de isótopos a laser, diagnóstico de fluorescência, fotografia de ultra-alta velocidade, detecção de poluição, cuidados médicos, melhoramento agrícola e outros aspectos. Como seu comprimento de onda curto facilita o foco para obter um ponto pequeno, ele também pode ser usado para processar componentes submicrométricos.

5. Laser de dióxido de carbono
O meio de ganho usado nos lasers de dióxido de carbono é o dióxido de carbono misturado com hélio e nitrogênio, que pode produzir luz infravermelha centralizada nos comprimentos de onda de 9,6 μm e 10,6 μm. A taxa de conversão de energia dos lasers de dióxido de carbono é alta e a potência de saída pode variar de alguns watts a dezenas de milhares de watts. Juntamente com a qualidade do feixe extremamente alta, os lasers de dióxido de carbono são amplamente utilizados no processamento de materiais, pesquisa científica, defesa nacional e medicina.

6. Excímerossão moléculas instáveis. Quando uma mistura de diferentes gases raros e gases halogênios é preenchida na cavidade ressonante, são gerados lasers de diferentes comprimentos de onda. Feixes de elétrons relativísticos (energia superior a 200 quiloelétron-volts) ou descargas transversais de pulso rápido são comumente usados ​​para obter excitação. Quando as ligações moleculares instáveis ​​dos excímeros excitados se rompem e se dissociam em átomos do estado fundamental, a energia do estado excitado é liberada na forma de radiação laser. É amplamente utilizado em comunicações médicas, ópticas, displays de semicondutores, sensoriamento remoto, armas a laser e outros campos.

Lasers Químicossão um tipo especial de laser a gás, ou seja, laser que utiliza a energia liberada pelas reações químicas para conseguir a inversão populacional. A maioria desses lasers funciona no modo de transição molecular, com uma faixa típica de comprimento de onda do infravermelho próximo ao infravermelho médio. Os dispositivos mais importantes são o fluoreto de hidrogênio (HF) e o fluoreto de deutério (DF). O primeiro pode produzir mais de 15 linhas espectrais entre 2,6 e 3,3 mícrons; o último tem cerca de 25 linhas espectrais entre 3,5 e 4,2 mícrons. Ambos os dispositivos podem atualmente atingir uma produção de vários megawatts. Devido à sua enorme energia, são geralmente utilizados na engenharia nuclear e nas áreas militares.

Lasers de tinturasão lasers que usam corantes orgânicos como meio de laser, geralmente uma solução líquida. Em comparação com meios laser gasosos e sólidos, os lasers de corante geralmente podem ser usados ​​em uma faixa de comprimento de onda mais ampla. Devido à sua ampla largura de banda, eles são particularmente adequados para lasers sintonizáveis ​​e lasers pulsados. No entanto, devido à sua curta vida média e potência de saída limitada, eles foram basicamente substituídos por lasers sólidos com comprimento de onda ajustável, como a safira de titânio.

Lasers semicondutoressão lasers que usam materiais semicondutores como materiais de trabalho. Os métodos de excitação incluem injeção elétrica, excitação por feixe de elétrons e bombeamento óptico. Eles são pequenos em tamanho, baixo preço, alta eficiência, longa vida útil e baixo consumo de energia. Eles podem ser usados ​​em informações eletrônicas, impressão a laser, canetas laser, comunicações ópticas, televisores a laser, pequenos projetores a laser, informações eletrônicas, óptica integrada e outros campos. Eles são o tipo de laser mais prático e importante.

Lasers de fibrarefere-se a um laser que usa fibra de vidro dopada com terras raras como meio de ganho. Possui uma ampla gama de aplicações, incluindo comunicações de fibra a laser, comunicações espaciais de longa distância a laser, construção naval industrial, fabricação de automóveis, gravação a laser, marcação a laser, corte a laser, fabricação de rolos de impressão, perfuração/corte/soldagem de metais e não metais ( soldagem de latão, têmpera, revestimento e soldagem profunda), segurança de defesa militar, equipamentos e instrumentos médicos, infraestrutura de grande escala, como fonte de bomba para outros lasers, etc.

Lasers de elétrons livresé um novo tipo de fonte de radiação coerente de alta potência diferente dos lasers tradicionais. Não necessita de gás, líquido ou sólido como material de trabalho, mas converte diretamente a energia cinética do feixe de elétrons de alta energia em energia de radiação coerente. Portanto, também pode ser considerado que o material de trabalho do laser de elétrons livres são os elétrons livres. Possui uma série de excelentes características, como alta potência, alta eficiência, ampla faixa de ajuste de comprimento de onda e estrutura de tempo de pulso ultracurto. Exceto ele, nenhum outro laser pode ter essas características ao mesmo tempo. Tem perspectivas muito promissoras nas áreas de pesquisa física, armas a laser, fusão a laser, fotoquímica, comunicações ópticas, etc.

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