Princípio e aplicação de laser de alta potência

Ele-ne-nelaé um dos primeiros lasers de gás para obter uma produção contínua. Produz saída estável a laser vermelho a um comprimento de onda de 632,8 nanômetros através da excitação de descarga de uma mistura de gases de hélio (HE) e neon (NE).

Os primeiros lasers de helium-neon tinham um poder de apenas miliwatts, mas com vantagens como alta qualidade do feixe, boa coerência e vida longa, eles rapidamente se tornaram a fonte de luz padrão para pesquisa científica e medição industrial. Com os avanços tecnológicos, lasers de hélio-neon de alta potência (como centenas de miliwatts) foram gradualmente realizados através da otimização da estrutura de descarga, projeto de cavidade ressonante e razão de gás e foram expandidos para aplicações na usinagem de precisão, interferometria e outros campos. Ainda é um dos representantes clássicos de lasers de gás.

Os lasers de hélio-neon de alta potência (lasers He-Ne-Ne) têm valor insubstituível em pesquisas científicas, indústria e campos médicos devido à sua alta estabilidade, excelente qualidade do feixe e vida longa. Comparado a outros lasers, como lasers de CO₂ (alta qualidade de potência, mas baixa qualidade do feixe) e lasers de semicondutores (tamanho pequeno, mas baixa coerência), os lasers de hélio-neon se destacam em monocromaticidade, direcionalidade e estabilidade de frequência, tornando-os fontes de luz ideais para medição de precisão, imagens holográficas e experimentos ópticos. Além disso, eles têm uma estrutura simples, baixo custo de manutenção e não requerem um sistema de refrigeração complexo, tornando-os adequados para operação estável a longo prazo. Embora seja difícil competir com lasers sólidos ou de fibra em termos de energia, os lasers de hélio-neon ainda têm vantagens únicas em aplicações de baixa a média potência que requerem alta qualidade do feixe.

Comparação com outros lasers

Princípio do laser de alta potência
1. Médio de trabalho:
Um gás misto de hélio (HE) e hélio (NE) (razão típica 5: 1 ~ 10: 1) é usada e selada em um tubo de descarga de vidro ou quartzo. Os átomos de helium são excitados em um estado metaestável (2 deu, 2 l nível de energia) por colisão de elétrons e, em seguida, os átomos de neon são excitados a um alto nível de energia (3s₂, 2s₂) por transferência de energia ressonante, formando uma inversão populacional.
2. Radiação estimulada e saída do laser:
Quando os átomos de neon transitam do nível de energia 3S₂ para o nível de energia 2P₄, os fótons de 632,8 nm (luz vermelha) são liberados, que são amplificados pelo feedback através da cavidade ressonante óptica (janela de Brewster + espelho refletivo alto) para formar uma saída estável a laser.
3. Mecanismo de reforço de energia:
Increasing the discharge current, optimizing the gas pressure (1~10 Torr) and extending the resonant cavity length (>1 m) pode aumentar a potência de saída, mas o efeito térmico e a estabilidade do modo precisam ser equilibrados.

Principais tecnologias de lasers de alta potência
1. Métodos de aprimoramento de poder
(1) otimização da estrutura do tubo de descarga

Aumente o comprimento (mais de 1 metro) e o diâmetro (8-10 mm) do tubo de descarga para estender efetivamente a distância efetiva do meio de ganho

Adote o design do tubo de descarga segmentado para obter amplificação em vários estágios

Otimize a forma do eletrodo (como cátodo oco) para melhorar a uniformidade de descarga

(2) otimização de parâmetros de gás

Controle com precisão a taxa de mistura He: NE (5: 1 a 10: 1)

Otimize a pressão do gás de trabalho (1-10 Torr) para equilibrar os efeitos de ganho e extinção

Adicione quantidades de rastreamento de argônio (AR) para melhorar a eficiência da descarga

(3) Melhoramento do método de excitação

Use excitação de RF (13,56MHz) em vez da descarga tradicional de CC

Obter descarga sem eletrodo para evitar a contaminação por pulverização do eletrodo

Melhorar a eficiência do acoplamento de energia e aumentar a densidade de energia em mais de 30%

2. Dissipação de calor e controle de estabilidade
(1) Sistema de Gerenciamento Térmico

Projeto de controle de temperatura graduado: temperatura constante do tubo de descarga (± 0. 1 grau) + compensação térmica de cavidade ressonante

Solução eficiente de dissipação de calor:

Water cooling (>Capacidade de dissipação de calor de 100w/cm²)

Resfriamento de ar do microcanal (design compacto)

Aplicação de materiais de baixa expansão térmica (como vidro microcristalino)

(2) Tecnologia de estabilização de frequência

Solução de estabilização de frequência ativa:

Estabilização de frequência de Zeeman (estabilidade de até 10⁻⁹)

Estabilização de frequência de absorção de saturação (referência da molécula de iodo)

Estabilização de frequência passiva:

Design de cavidade de expansão ultra-baixa

Compensação de parâmetros duplos de pressão de temperatura

(3) Supressão de vibração

Plataforma de isolamento de vibração ativa (6 graus de controle da liberdade)

Estrutura de suporte rígido de cavidade ressonante

Sistema de compensação de vibração em tempo real

Campos de aplicação de lasers de alta potência
1. Aplicação em campos industriais
① Manufatura e processamento de alta precisão
Corte de wafer semicondutores e micro -racha (usando a alta precisão de posicionamento do comprimento de onda de 632,8nm)
Sistema de marcação de precisão (marcação não destrutiva de materiais sensíveis ao calor)
Medição de filme fino e controle de espessura (a precisão da medição de interferência atinge o nível do nanômetro)
② Medição e detecção de engenharia
Medição de alinhamento de edifício em larga escala (monitoramento da direita da construção de pontes e túneis)
Sensor de deslocamento de alta precisão (resolução melhor que 0. 1μm)
Medição de morfologia tridimensional (combinada com tecnologia holográfica para obter detecção no nível de mícrons)
③ Controle de qualidade e automação
Detecção on -line das dimensões do produto da linha de montagem
Sistema de posicionamento de montagem mecânica de precisão
Detecção de superfície do componente óptico (como medição de raio de curvatura da lente)
2. Pesquisa científica e aplicações médicas
① Scientific Research
Interferômetro a laser (detecção de ondas gravitacionais, análise de vibração da plataforma óptica)
Sistema de imagem holográfica (gravação holográfica e reprodução dinâmica)
Fonte de luz padrão da espectroscopia (pesquisa em nível de energia atômica e molecular)
②biomedicine
Manipulação e imagem celular (tecnologia de pinça de laser de baixa potência)
Terapia fotodinâmica (explorando terapia tumoral direcionada)
Assistência de Cirurgia Oftálmica (soldagem e diagnóstico da retina)
③ Equipamento médico
Fonte de luz do citômetro de fluxo
Sistema de Iluminação de Microscópio Confocal
Equipamento de acupuntura a laser e fisioterapia
3. Aplicações nacionais de defesa e comunicação
①Detection e orientação
LiDAR core light source (atmospheric detection distance>10 km)
Sistema de treinamento de simulação de orientação de mísseis
Comunicação a laser subaquática (pesquisa de conversão de luz azul esverdeada)
Technology Technology
Fonte de luz de comunicação inter-satélite
Alvo de espaço variando e rastreamento
Fonte de luz experimental de referência experimental gravitacional
③ Aplicações especiais
Fonte de luz experimental de comunicação quântica
Diagnóstico experimental de plasma de fusão nuclear
Tempo de precisão experimental de alta energia
4. Áreas de aplicação emergentes
Technology Technology
Fonte de luz de resfriamento a laser experimental a laser
Sistema de geração estadual emaranhado quântico
②Now Energy
Pesquisa de características do material fotovoltaico
Observação do processo de eletrodo de célula de combustível
③ Monitoramento ambiental
Detecção de espectro a laser poluente atmosférico
Medição de sensoriamento remoto de campo de temperatura do oceano

Em resumo, os lasers de helium-neon mostram valor exclusivo insubstituível em cenários de alta potência. Comparados com outros lasers, os lasers de hélio-neon podem fornecer coerência e estabilidade incomparáveis ​​em aplicações como interferometria e imagem holográfica, o que é difícil para os lasers de semicondutores e lasers de estado sólido alcançarem.

Com os avanços contínuos nas principais tecnologias, como excitação de RF e gerenciamento térmico, os lasers de hélio-neon de alta potência desempenharão um papel maior nos campos de ponta, como a detecção de litografia EUV e a comunicação quântica do espaço. Sua integração com a tecnologia de fibra óptica pode dar à luz uma nova geração de sistemas de transmissão altamente estáveis ​​e, no campo da biomedicina, aplicações cirúrgicas após o aprimoramento da potência também valem ansiosamente. Apesar da concorrência de novos lasers, os lasers de helium-neon continuarão mantendo uma posição insubstituível em cenários especiais que "exigem desempenho óptico extremo" e continuam a promover o desenvolvimento inovador da ciência de precisão e da fabricação de ponta.

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