Quantos geradores de laser existem? (Parte 1)

De acordo com a análise do princípio dageração de laser, sabe-se que o laser está sob a ação da “fonte de excitação”, o número de elétrons de alto nível do átomo aumenta, e a transição para o nível baixo após permanecer por um tempo muito curto, e o laser é emitido ao mesmo tempo. Não é difícil saber que deve haver muitos, muitos átomos de matéria que podem emitir luz laser sob a ação da “fonte de excitação”.

Grosso modo, para criar um gerador de laser, existem quatro elementos:

① Selecione o meio de trabalho para gerar o laser. Pode ser um gás, líquido, sólido ou semicondutor, desde que a inversão da população de partículas possa ser alcançada no meio, o laser pode ser obtido.

② É importante escolher o “motivador”. A "fonte de excitação" faz com que os elétrons de baixo nível do meio transitem efetivamente para o nível alto, alcançando a chamada reversão do número de elétrons. O método de descarga gasosa pode ser utilizado para utilizar elétrons com energia cinética para excitar átomos dielétricos, o que é chamado de excitação elétrica; Uma fonte de luz pulsada também pode ser usada para irradiar o meio de trabalho, chamada excitação luminosa; Existem incentivos térmicos e incentivos químicos e assim por diante. Vários modos de excitação são visualizados como bombeamento ou bombeamento. O objetivo do "bombeamento" é fazer com que o número de partículas no nível de alta energia seja maior do que no nível de baixa energia.

③ Também é importante construir um ressonador. Como a intensidade do laser gerada pela "bomba" é muito fraca e não pode ser aplicada na prática, o laser fraco precisa ser ressonado com o laser, para que o laser de saída seja aprimorado para atingir o grau de aplicação prática.

④ Lasers de alta energia requerem sistemas de resfriamento. Devido à forte luz dentro do ressonador, o ressonador precisa ser resfriado.

De acordo com o meio de trabalho do laser, existem lasers sólidos, lasers de gás, lasers semicondutores, lasers químicos e agora existe um “laser de cerâmica transparente”.

De acordo com o modo de saída do laser, existem lasers contínuos e lasers pulsados.

Os indicadores de desempenho do laser concentram-se principalmente nos seguintes aspectos: Primeiro, a faixa de frequência do feixe de laser, porque o laser pode fazer "fonte de excitação", mas também pode fazer análise de espectro da fonte de luz, por isso é necessário conhecer o espectro do laser; A segunda é a potência do feixe de laser, especialmente a potência máxima porque o tamanho da potência delineia a faixa de aplicação do laser; A terceira é a área de irradiação da concentração de energia do feixe laser, porque a área de irradiação é diferente em diferentes aplicações.

Ⅰ. Lasers de estado sólido

Os lasers podem ser feitos de muitos materiais sólidos. Em particular, com métodos sintéticos, no processo de fabricação de cerâmica, é possível criar cristais contendo diferentes componentes, chamados de “meio laser cerâmico transparente”. Agora, o laser feito com cristais artificiais é muito conveniente e prático. Aqui estão três lasers de estado sólido comuns.

1. Laser rubi

O primeiro laser foi o laser de rubi. Em julho de 1960, Maiman fez com sucesso o primeiro laser de rubi do mundo, ele direcionou a luz de um flash para o cristal de rubi, criando um feixe de laser pulsado coerente, que chocou o mundo e desencadeou um boom no desenvolvimento de lasers.

A análise mostra que o rubi é um cristal e sua matriz é Al2O3 (óxido de alumínio), que contém 0.03-0,4 por cento (proporção em peso) de Cr2O3 (trióxido de cromo), então você pode pressionar formação de pó desses materiais, sinterização a vácuo, você pode produzir cristal de rubi artificial, com desempenho de laser de produção de haste de rubi artificial superior, amplamente utilizado. Este tipo de meio de laser também foi totalmente estudado; Em particular, a "fonte da bomba" adota uma lâmpada de xenônio pulsada forte; O ressonador ainda é o antigo, em ambas as extremidades do laser, frente a frente com dois espelhos de alta refletividade, um refletirá quase completamente o laser para o meio de trabalho para participar da ressonância, o outro refletirá a maior parte da luz de volta à ressonância, e deixe uma pequena quantidade de laser ser emitida através do espelho, emitido é um laser forte, é usado para laser prático.

Agora, a energia de saída do laser de rubi pode ser feita em diferentes níveis, até milhares de joules.

2. Laser de cristal granada de alumínio e ítrio dopado com neodímio

O cristal de granada de ítrio-alumínio dopado com neodímio é composto de ítrio (Y2O3) e alumínio (Al2O3) de acordo com a proporção de incorporação de 3:5 (Nd2O3), moldagem por prensagem, sinterização de cristais no vácuo a 1700 graus, frequentemente usado em infravermelho próximo e distante lasers de estado sólido, desempenho superior. Uma lâmpada contínua de criptônio ou lâmpada de iodeto de tungstênio é usada como fonte de luz da bomba, que corresponde apenas à banda de absorção do íon Nd 3-valente. Os lasers de granada de ítrio-alumínio dopados com neodímio podem ter dezenas a centenas de watts e também podem produzir alta potência.

3. Laser de vidro Nd

O neodímio é incorporado ao vidro de silicato de alta pureza como substrato, e esse vidro de neodímio é usado para fazer lasers. O fosfato também é usado como substrato para incorporar o neodímio.

Os lasers de vidro de neodímio funcionam de forma semelhante aos lasers de cristal acima.

Lasers de vidro de neodímio de baixa potência são efetivamente usados ​​para comunicação de fibra óptica, e as duas tecnologias mais críticas para o desenvolvimento da comunicação de fibra óptica são a modulação de sinais ópticos com lasers semicondutores e o uso de lasers de vidro de neodímio como repetidores (ver ciência popular série de artigos, nº 61). A luz do sinal é amplificada pelos repetidores e os sinais ópticos podem ser transmitidos por longas distâncias.

Lasers de vidro de neodímio de alta potência também são fáceis de fabricar. Como a uniformidade óptica do vidro de neodímio é boa, é fácil prepará-lo em um material de grande volume, que é mais fácil de processar do que cristais, e o custo de produção do vidro de neodímio é muito baixo. Quanto maior o volume da haste de vidro de neodímio, maior será a energia do laser de saída; Portanto, os lasers de vidro de neodímio são os lasers de estado sólido preferidos na prática, que podem ser de baixa ou alta potência.

Lasers de vidro de neodímio de alta potência têm sido usados ​​em experimentos de fusão nuclear. Em 1974, o Shanghai Optical Machinery Institute desenvolveu com sucesso seis sistemas de laser de vidro de neodímio de alta potência no nível de nanossegundos de 100,{4}} megawatts, que realizaram com sucesso o uso de um laser para gerar plasma de alta temperatura e alta densidade, dando uma grande contribuição para o dispositivo de "ignição" de fusão nuclear.

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