ليزر الحالة الصلبة. مواد ليزر الحالة الصلبة
توضح هذه المقالة ما هي مصادر الإشعاع أحادي اللون وما هي مزايا ليزر الحالة الصلبة على الأنواع الأخرى. يخبرنا كيف يحدث توليد إشعاع متماسك ، ولماذا يكون الجهاز النبضي أكثر قوة ، ولماذا هناك حاجة إلى النقش. كما يناقش العناصر الأساسية الثلاثة لليزر ومبدأ تشغيله.
نظرية المنطقة
قبل الحديث عن كيفية عمل الليزر (الحالة الصلبة ، على سبيل المثال) ، يجب مراعاة بعض النماذج الفيزيائية. يتذكر الجميع من دروس المدرسة أن الإلكترونات توجد حول النواة الذرية في مدارات معينة ، أو مستويات طاقة. إذا لم يكن لدينا ذرة واحدة تحت تصرفنا ، ولكن الكثير ، أي أننا نعتبر أي جسم حجمي ، فستظهر صعوبة واحدة.
وفقًا لذلك ، في جسم معين بنفس الطاقة يمكن أن يكون هناك إلكترون واحد فقط. علاوة على ذلك ، حتى أصغر حبة رمل تحتوي على عدد كبير من الذرات. في هذه الحالة ، وجدت الطبيعة مخرجًا أنيقًا للغاية - تختلف طاقة كل إلكترون عن طاقة الإلكترون المجاور بمقدار صغير جدًا لا يمكن تمييزه تقريبًا. في هذه الحالة ، يتم "ضغط" جميع الإلكترونات من نفس المستوى في نطاق طاقة واحد. المنطقة التي توجد فيها الإلكترونات الأبعد عن النواة تسمى منطقة التكافؤ. المنطقة التي تليها لديها طاقة أعلى. في ذلك ، تتحرك الإلكترونات بحرية ، ويسمى نطاق التوصيل.
الانبعاث والامتصاص
يعمل أي ليزر (حالة صلبة ، غاز ، مادة كيميائية) على مبادئ انتقال الإلكترون من منطقة إلى أخرى. إذا سقط الضوء على الجسم ، فإن الفوتون يمنح الإلكترون قوة كافية لوضعه في حالة طاقة أعلى. والعكس صحيح: عندما يمر إلكترون من شريط التوصيل إلى نطاق التكافؤ ، فإنه يصدر فوتونًا واحدًا. إذا كانت المادة عبارة عن شبه موصل أو عازل للكهرباء ، يتم فصل نطاقي التكافؤ والتوصيل بفاصل لا يوجد فيه مستوى واحد. وفقًا لذلك ، لا يمكن أن تكون الإلكترونات موجودة. هذا الفاصل يسمى فجوة النطاق. إذا كان للفوتون طاقة كافية ، فإن الإلكترونات تقفز فوق هذه الفترة.
توليد
مبدأ التشغيل ليزر الحالة الصلبةيعتمد على حقيقة أن ما يسمى بالمستوى العكسي يتم إنشاؤه في فجوة النطاق للمادة. عمر الإلكترون عند هذا المستوى أطول من الوقت الذي يقضيه في نطاق التوصيل. وهكذا ، في فترة زمنية معينة ، "تتراكم" الإلكترونات عليها. وهذا ما يسمى السكان العكسي. عندما يمر فوتون من الطول الموجي المطلوب بهذا المستوى ، المنقطة بالإلكترونات ، فإنه يتسبب في التوليد المتزامن لعدد كبير من موجات الضوء بنفس الطول والطور. أي أن الإلكترونات في الانهيار الجليدي تمر جميعها في نفس الوقت إلى الحالة الأرضية ، وتولد شعاعًا من الفوتونات أحادية اللون ذات القدرة العالية بما يكفي. وتجدر الإشارة إلى أن المشكلة الرئيسية لمطوري الليزر الأول كانت البحث عن مثل هذا المزيج من المواد التي يمكن أن يكون من الممكن أن يكون هناك مجتمع عكسي لأحد المستويات. أصبح الياقوت المخلوط أول مادة تعمل.
تكوين الليزر
لا يختلف ليزر الحالة الصلبة عن الأنواع الأخرى من حيث مكوناته الرئيسية. جسم العمل ، الذي يتم فيه تنفيذ التعداد السكاني العكسي لأحد المستويات ، يُضاء بواسطة بعض مصادر الضوء. إنه يسمى الضخ. غالبًا ما يكون هذا المصباح المتوهج العادي أو أنبوب تفريغ الغاز. طرفان متوازيان من سائل العمل (ليزر الحالة الصلبة يعني بلورة ، الليزر الغازي يعني وسيطًا متخلخلًا) يشكلان نظامًا من المرايا ، أو مرنانًا ضوئيًا. إنه يتجمع في شعاع تلك الفوتونات التي تتوازى مع المخرج فقط. عادة ما يتم ضخ ليزر الحالة الصلبة باستخدام مصابيح الفلاش.
أنواع ليزر الحالة الصلبة
اعتمادًا على طريقة خروج شعاع الليزر ، يوجد ليزر مستمر ونبضي. كل واحد منهم يجد التطبيق وله خصائصه الخاصة. والفرق الرئيسي هو أن ليزر الحالة الصلبة النبضي يتمتع بقوة أعلى. نظرًا لأنه يبدو أن الفوتونات "تتراكم" في كل لقطة ، فإن نبضة واحدة قادرة على توفير طاقة أكثر من التوليد المستمر خلال فترة زمنية مماثلة. كلما استمر الدافع أقصر ، زادت قوة كل "طلقة". في الوقت الحالي ، من الممكن تقنيًا بناء واحدة من نبضاتها تدوم حوالي 10-15 ثانية. يرتبط هذا الاعتماد بحقيقة أن عمليات عودة السكان الموصوفة أعلاه تستمر قليلاً جدًا. فكلما طال الانتظار قبل أن "ينطلق" الليزر ، كلما كان لدى الإلكترونات الوقت لمغادرة المستوى العكسي. وفقًا لذلك ، ينخفض تركيز الفوتونات وطاقة الحزمة الناتجة.
النقش بالليزر
تزين الأنماط الموجودة على سطح الأشياء المعدنية والزجاجية الحياة اليومية للإنسان. يمكن تطبيقها ميكانيكياً أو كيميائياً أو بالليزر. الطريقة الأخيرة هي الأحدث. مزاياها على الطرق الأخرى كما يلي. نظرًا لعدم وجود تأثير مباشر على السطح المراد معالجته ، يكاد يكون من المستحيل إتلاف أي شيء أثناء تطبيق نمط أو نقش. يحترق شعاع الليزر أخاديدًا ضحلة جدًا: يظل السطح الذي يحتوي على مثل هذا النقش أملسًا ، مما يعني أن الشيء غير تالف وسيستمر لفترة أطول. في حالة المعدن ، يغير شعاع الليزر بنية المادة ذاتها ، ولن يُمحى النقش لسنوات عديدة. إذا تم استخدام شيء ما بعناية ، وليس مغمورًا في الحمض وغير مشوه ، فسيتم بالتأكيد الحفاظ على النمط الموجود عليه لعدة أجيال. من الأفضل اختيار ليزر نبضي صلب للحفر لسببين: العمليات في الحالة الصلبة أسهل في التحكم ، وهي مثالية من حيث القوة والسعر.
تثبيت
هناك إعدادات خاصة للنقش. بالإضافة إلى الليزر نفسه ، فهي تتكون من أدلة ميكانيكية يتحرك على طولها الليزر ، ومعدات تحكم (كمبيوتر). تستخدم آلة الليزر في العديد من فروع النشاط البشري. أعلاه ، تحدثنا عن تزيين الأدوات المنزلية. ستبقى أدوات المائدة والولاعات والنظارات والساعات في العائلة لفترة طويلة وستذكرك باللحظات السعيدة.
ومع ذلك ، ليس فقط السلع المنزلية ، ولكن أيضًا السلع الصناعية تحتاج إلى النقش بالليزر. تنتج المصانع الكبيرة ، مثل السيارات ، أجزاءً بكميات ضخمة: مئات الآلاف أو الملايين. يجب وضع علامة على كل عنصر من هذا القبيل - متى ومن قام بإنشائه. لا توجد طريقة أفضل من النقش بالليزر: ستظل الأرقام ووقت الإنتاج وعمر الخدمة لفترة طويلة حتى على الأجزاء المتحركة ، حيث يوجد خطر متزايد للتآكل. يجب أن تتميز آلة الليزر في هذه الحالة بالطاقة المتزايدة ، فضلاً عن السلامة. بعد كل شيء ، إذا غيّر النقش خاصية جزء معدني حتى بجزء بسيط من النسبة المئوية ، فقد يتفاعل بشكل مختلف مع التأثيرات الخارجية. على سبيل المثال ، كسر في مكان تطبيق النقش. ومع ذلك ، بالنسبة للاستخدام المنزلي ، فإن التركيب الأبسط والأرخص مناسب.
ليزر الحالة الصلبة-ليزر في كروم وسط نشطنشطة. عازل بلورات وكؤوس أو عازلة. بلورات ذات عيوب نقطية خاصة بها. عادةً ما تعمل أيونات العناصر الأرضية النادرة أو أيونات مجموعة الحديد كمنشطات للبلورات والنظارات. تنشأ عيوب النقطة الخاصة في البلورات تحت تأثير المؤينات. أو عن طريق تلطيخ مضاف. طاقة يتم استخدام مستويات المنشطات أو العيوب الجوهرية لإنشاء مجموعة عكسية (انظر الشكل. الالكترونيات الكمومية).
وفقًا للتقاليد الحالية ، يتم تخصيص أشعة الليزر القائمة على بلورات أشباه الموصلات لفئة خاصة (انظر الشكل. ليزر أشباه الموصلات) نظرًا لخصوصياتها المتأصلة في الإثارة وتشكيل الانقلاب السكاني عند التحولات بين المسموح بها بقوة. مناطق (انظر نظرية المنطقة). الانعكاس السكاني في وسط نشط T. l. تحقيق بصري. ضخ-إضاءة مواصفات العنصر النشط (AE). المصابيح ، الإشعاع الشمسي ، إشعاع الألعاب النارية. أجهزة أو إشعاع ليزر آخر ، ولا سيما أشباه الموصلات.
جيل T. يتم تنفيذها وفقًا لمخطط من ثلاثة أو أربعة مستويات (انظر. ضخعادة ما يكون لواحد من هذه الليزرات شكل أسطوانة دائرية أو قضيب مستطيل. أقسام. في بعض الأحيان يتم أيضًا استخدام AEs ذات التكوينات الأكثر تعقيدًا. نائب. أصبح تصميم T. بسبب الانعكاسات المتعددة لإشعاع المضخة من الداخل. على سطح غرفة الإضاءة ، يتم تحقيق امتصاصها الكامل في AE. تُستخدم أجهزة الإنارة حيث يعمل مصباح مضخة واحد على عدة AEs أو ، على العكس من ذلك ، يتم ضخ AE بواسطة عدة مصابيح أو أكثر. نطاق الطول الموجي للجيل T. يمتد من الأشعة فوق البنفسجية إلى منتصف الأشعة تحت الحمراء. ت. تعمل في أوضاع نبضية ومستمرة وشبه مستمرة (انظر الليزرفي القائمة T.l. يمكن أن تصل طاقة التوليد في الوضع المستمر إلى 1-3 كيلو واط عند sp. خرج الطاقة ~ 10 وات من 1 سم 3 من الوسط النشط بكفاءة ~ 3٪. تزوج تتحقق قوة مقدارها 10 3 وات بمعدل تكرار نبضي يصل إلى 100 هرتز في T. l. النبض الدوري. الإجراءات في وضع التوليد الحر مع مدة نبضة 10 -3 10 -4 ثانية.
ت. تعمل بنجاح في وضع التعديل ، مما يجعل من الممكن توليد نبضات عملاقة ، تعتمد مدتها وطاقتها على سرعة تشغيل الغالق وخصائص الوسيط النشط. القيم المعتادة لمدة هذه النبضات هي (1 - 10). 10-8 ثانية. قوتهم الذروية محدودة بواسطة البصري. العناصر النشطة والسلبية ، والتي عادة ما تصل إلى ~ 5 10 2 ميغاواط لكل 1 سم 2 من السطح. بصري الحجمي عادة ما تكون قوة مواد الليزر أعلى. يتم تنفيذ Q-switching للرنان بشكل سلبي (ماصات قابلة للإشباع) ونشط (مُعدِلات كهربائية وصوتية بصرية). تستخدم في بعض الأحيان والميكانيكية. المغيرون ، على سبيل المثال. منشور دوار.
نسبة كبيرة من عرض دائرة التضخيم T. l. والتردد البيني (~ 10 3) يجعل من السهل جدًا تنفيذ وضع قفل الوضع والحصول على نبضات فائقة القصر لمدة 10-11-10-13 ثانية ، مقيدًا بالعرض المتبادل لخط الكسب. تمامًا مثل التعديل ، وضع القفل في T. نفذت بشكل نشط وسلبي. ت. يمكن أن تعمل أيضًا في وضع مكبر الإشعاع. في نفس الوقت المعامل يمكن أن يصل الكسب الخطي إلى قيمة 0.5-0.7 سم -1.
يكتشف تأثير الليزر عددًا كبيرًا من التفكك. البلورات والنظارات (عدة مئات) ، ولكن في الواقع تعمل T.L. ، الذي وجده عمليًا. التطبيق أقل من ذلك بكثير. من بينها ليزر بلوري الياقوت ، وهو أول ليزر في العالم ابتكره T.Maiman (الولايات المتحدة الأمريكية) في عام 1960.
الياقوت عبارة عن بلورة من اكسيد الالمونيوم Al 2 O 3 مع خليط (0.05٪) من أيونات Cr 3+ ، لتحل محل الليش الكريستالي. شعرية الأيونات. يعمل ليزر الياقوت وفقًا لمخطط من ثلاثة مستويات ، حيث يكون المستوى 1 هو المستوى الرئيسي. الدولة 4 لكن 2 ، المستوى 2 - الممر 4 F 2 و 4 F 1 ، المستوى 3 - مزدوج 2 ه. يستخدم ليزر الياقوت عالي الطاقة قضبان مستديرة ضيقة. 2 سم وطول. من 20 إلى 30 سم ، يتم أيضًا تنفيذ أسلوب التشغيل النمطي النبضي ، وتبديل Q ، وقفل الوضع ، وتضخيم القدرة. الطول الموجي لليزر الياقوتي هو 0.7 ميكرومتر.
نائب. منشط شائع للمواد لـ T. l. هي Nd 3+ أيونات (انظر ليزر النيوديميوم). يستخدم الليزر القائم على زجاج السيليكات والفوسفات مع النيوديميوم على نطاق واسع في العلوم والتكنولوجيا (انظر المرجع. نظارات الليزر) ، يولد إشعاعًا في حدود 1.05 ميكرومتر. رئيسي الغرض من الليزر الزجاجي هو توليد نبضات مفردة عالية الطاقة. زجاج AEs يتميز بكفاءة بصرية عالية. الجودة ، يمكن أن يكون لها حجم كبير مع شكل معين للعنصر. يولد ليزر زجاج الفوسفات مع النيوديميوم أقوى نبضات توليد. لذلك ، في منشأة "نوفا" (الولايات المتحدة الأمريكية) ، إجمالي حجم AE هو 2 10 6 سم 3 ، تم الحصول على نبضات بطاقة 4 10 4 J ، المدة ~ 10 -9 ثوان ، والتي تتوافق مع قوة 4. 10 13 الثلاثاء. في التوافقيات الثانية (l0.53 ميكرومتر) والثالثة (l0.35 ميكرومتر) للتردد الرئيسي. الانتقال مع نفس مدة النبضة ، الطاقة هي 2 10 4 ج.
نائب. بلوري واسع الاستخدام. المصفوفة مع Nd 3+ عبارة عن بلورة من عقيق الإيتريوم والألمنيوم (YAG-Nd 3+) ، إلى ry في naib. درجة تجتمع الحديث. متطلبات الالكترونيات الكمومية وتطبيقاتها. يتم الجمع بين الخصائص الطيفية الضرورية للإنارة لهذه البلورة بنجاح مع خواصها الميكانيكية العالية. القوة والصلابة الكبيرة (0.13 واط / سم كلفن) ؛ تعمل أجهزة الليزر YAG-Nd 3+ في جميع الأوضاع المذكورة أعلاه. عليهم الحصول على القدرات القياسية للتوليد المستمر. جيل الطول الموجي YAG-Nd 3+ -laser على أساس. الانتقال النيوديميوم l g = 1.064 ميكرومتر. أبعاد التعريض التلقائي النموذجية من 350 مم إلى 10120 مم.
يمكن أيضًا استخدام بلورات الإيتريوم ألومينات (YAlO 3 -Nd) وفلوريد الليثيوم-الإيتريوم (LiYF 4 - Nd 3+). تُفضل بلورات الإيتريوم ألومينات على بلورات YAG-Nd 3+ لعملية التعديل. عامل الجودة ، الذي يرتبط بانخفاض قيمة المقطع العرضي الرئيسي. توليد الانتقال وبالتالي مع انخفاض في تأثير اللمعان الفائق وإمكانية تراكم المزيد من الطاقة على مستوى الليزر العلوي.
يميز. تعتبر خصائص بلورة فلوريد الليثيوم-الإيتريوم مع النيوديميوم سلبية. الحجم وقيمة ABS الصغيرة. القيمة ب = dn/دي تي- معامل درجة الحرارة معامل الانكسار ن(ب \ u003d - 4.3. 10 -6 K -1 للاستقطاب p و b \ u003d -2.2 10 -6 K -1 للاستقطاب s ؛ لبلورة YAG ، على سبيل المثال ، b \ u003d 7.3 10 - 6 K -1). هذا الظرف يضعف بشكل كبير مظاهر الحرارية. التأثيرات ، ولا سيما تأثير المستحث الحراري البصري. العدسات ، مما يزيد من السطوع المكاني لإشعاع الليزر. يتم إزاحة الطول الموجي التوليد لليزر القائم على بلورة LiYF 4 -Nd 3+ مقارنة بطول موجة التوليد لليزر YAG-Nd 3+ إلى جانب الطول الموجي القصير (lg = 1.053 μm للاستقطاب s و lg = 1.047 للاستقطاب p) ، والذي يسمح بتأثير. تشغيل مثل هذا الليزر بمكبر صوت زجاجي. كفاءة ليزر النيوديميوم المبني على هذه البلورات ، كقاعدة عامة ، لا تتجاوز 2-4٪ في وضع التشغيل الحر و 2٪ في وضع Q-switched.
الاحتمالات الجديدة لأيونات الكروم ثلاثية التكافؤ كجزيئات نشطة من TL. ظهرت في بلورات الإسكندريت (BeAl 2 O 4). على عكس بلورة الياقوت ، فإن توليد أيونات الكروم 3+ في الإسكندريت لا يحدث فقط على خط الانتقال بدون فونون 2 ه- 4 لكن 2 ، ولكن أيضًا على التذبذب الإلكتروني. عبور 4 F 2
- 4 أ 2. في نفس الوقت ، ت. يعمل وفقًا لمخطط من أربعة مستويات ويجعل من الممكن ضبط الطول الموجي للجيل بسلاسة. نطاق الضبط النموذجي: 730-803 نانومتر.
من سمات الليزر البلوري الكسندريت تحسين الطاقة. الخصائص مع تسخين AE فوق درجة حرارة الغرفة ، والذي يرجع إلى زيادة قيمة EF مع درجة الحرارة. قسم الجيل. انتقال. يؤدي تسخين AE في هذا الليزر أيضًا إلى توسيع نطاق ضبط طول موجة التوليد إلى جانب الطول الموجي الطويل. يعمل ليزر alexandrite-crystal أيضًا في جميع الأوضاع المذكورة أعلاه ، بما في ذلك وضع rpm عالي. القوة ، والتي تسهلها الموصلية الحرارية العالية لهذه البلورة (0.23 واط / سم كلفن).
يتم توفير ضبط سلس لطول موجة التوليد بواسطة الليزر على بلورة اكسيد الالمونيوم بالتيتانيوم (Al 2 O 3 - Ti 3+). نطاق الضبط النموذجي: 700-1024 نانومتر. إن صغر عمر الحالة المثارة لـ Ti 3+ (3 ميكرو ثانية) في درجة حرارة الغرفة يجعل ضخ المصباح لهذا الليزر غير فعال. يتم ضخ ليزر Al 2 O 3 -Ti 3+ ، كقاعدة عامة ، إما بواسطة ليزر الأرجون cw أو بواسطة نبضات التوافقية الثانية لليزر النيوديميوم. في هذه الحالة ، يمكن أن تتجاوز كفاءة تحويل ضخ الليزر للإشعاع إلى توليد أيونات التيتانيوم 20٪.
يتم ضبط الطول الموجي للجيل في نطاق طيفي واسع في الليزر بناءً على مراكز الألوان (انظر الشكل. ليزر مركز اللون) ، والتي تعمل أيضًا عادةً مع الضخ بواسطة ليزر آخر.
إلى المخلوقات. زيادة الكفاءة T. استشهد بإدراك قدرات المانحين لأيونات Cr 3+ بالنسبة إلى الأيونات ثلاثية التكافؤ من العناصر الأرضية النادرة (انظر. تألق حساس) في بلورات العقيق. تسمح السعة المتشابهة العالية لهذه البلورات للأيونات والأيونات الأرضية النادرة لمجموعة الحديد بإدخال التركيزات المطلوبة لكلا النوعين من الجسيمات دون المساس بالبصرية. جودة البلورات (انظر تماثل). تفاصيل الطاقة. يوفر هيكل أيونات Cr 3+ في بلورات العقيق نقلًا كاملاً وسريعًا للطاقة من التذبذبات الإلكترونية. العصابات في الجزء العلوي مستويات الليزرأيونات العناصر الأرضية النادرة.
لعائلة العقيق المحتوي على الكروم ، تعمل على الرئيسي. انتقال النيوديميوم في منطقة 1.06 ميكرومتر ، بشكل أساسي بلورات الجادولينيوم - سكانديوم - الغاليوم (GSGG) ، الإيتريوم سكانديوم - الغاليوم (IGG) والعقيق الجادولينيوم - سكانديوم - الألومنيوم (GSAG). تم تصميم هذه البلورات للتشغيل النبضي والدوري النبضي. في ليزر يعتمد على بلورة HSHG-Cr 3+ -Nd 3+ في نظام التشغيل الحر في منطقة المضخة من 1–3 J ، يتم تحقيق كفاءة بنسبة 6٪. على بلورة ICGG-Cr 3+ -Nd 3+ تحت ضخ 200 J abs. تصل الكفاءة إلى 10٪ في وضع التوليد الحر. ISGG- Cr 3+ -Nd 3+ -laser في وضع Q-switched ومعدل تكرار النبضات حتى 50 ثانية -1 يوفر القيمة المطلقة. كفاءة 6٪ عند طاقة لكل نبضة 0.4 جول ، وهي محدودة بواسطة البصري. قوة نهاية AE. الطول الموجي الإشعاعي لهذا الليزر (1.058 ميكرومتر) يتوافق جيدًا مع دائرة التضخيم لزجاج الفوسفات بالنيوديميوم ، مما يجعل من الممكن استخدام هذا الزوج بشكل فعال في النظام: مذبذب رئيسي - مكبر للصوت. تتميز بلورات GSAG-Cr 3+ -Nd 3+ بخصائص طيفية وإنارة مشابهة لخصائص بلورات HSHG-Cr 3+ -Nd 3+ و IGG-Cr 3+ -Nd 3+. في هذه الحالة ، تقترب الموصلية الحرارية لهذه البلورة (0.11 واط / سم كلفن) من التوصيل الحراري لبلورة YAG.
لونج ويف إف. جيل T. بضخ المصباح (بدرجة حرارة الغرفة) 33.5 ميكرومتر. في طاقات منخفضة. الفجوات ، فإن احتمال حدوث انتقالات غير إشعاعية متعددة الهونونات أكبر بكثير من احتمال الإشعاع ، مما يؤدي إلى قيم صغيرة للعائد الكمي وعمر الحالة المثارة. يتم توفير هذا الطول الموجي ، على سبيل المثال ، من خلال الانتقال 4 أنا 11/2 4 أنا 13/2 أيونات الإربيوم (Er 3+). تم الحصول على توليد الإشعاع بواسطة أيونات Er 3+ تحت الضخ بكفاءة تتجاوز 1٪ على بلورات YAG-Er 3+ و ICGG-Cr 3+ -Er 3+. في الحالة الأولى ، الطول الموجي التوليد l g = 2.94 μm ؛ في الثانية l g = 2.79 ميكرومتر. تم تنفيذ وضع تحويل Q مع معدل تكرار نبضي يصل إلى 100 ثانية -1.
لقد جعل تطوير ليزر أشباه الموصلات أمرًا واعدًا لاستخدامها لضخ T. ليزر أشباه الموصلات (PL) الذي يعتمد على بلورات مفردة من زرنيخيد الغاليوم عن طريق تغيير التركيب يجعل من الممكن الحصول على توليد في منطقة 0.751 ميكرومتر ، مما يجعل من الممكن إثارة التوليد بفعالية على Nd 3+ ، Tm ، Ho 3+ ، Er 3+ و Yb 3+ أيونات. الضخ بواسطة إشعاع PL قريب من الرنين ، مما يعني. درجة يزيل مشكلة الحرارة المستحثة. تشويه في التعريض الضوئي التلقائي ويجعل من السهل نسبيًا تحقيق اتجاهية عالية للغاية لشعاع الليزر. تم الحصول على التوليد المستمر على الأيونات Ho 3+ (lg 2.1 μm) ، Tm 3+ (lg 2.3 μm) ، Er 3+ (
lg 2.9 ميكرومتر) ، وكذلك فك. تحولات الأيونات Nd 3+. تصل عتبة الليزر فيما يتعلق بقوة المضخة في بعض الحالات إلى بضعة ملي واط. لذلك ، على سبيل المثال ، عتبة التوليد على أيونات Ho 3+ في بلورة YAG-Tm 3+ -Ho 3+ هي 4 ميجاوات ، وعتبة التوليد في الأساس. لا يتجاوز انتقال أيونات Nd 3+ في الزجاج 2 ميجاوات. تم الحصول على توليد التوافقي الثاني على عدد من البلورات ذات النيوديميوم. على أساس في تقاطع النيوديميوم ، يتم تنفيذ أوضاع Q-switching وقفل الوضع. تصل الكفاءة الكلية لليزر النيوديميوم cw الذي يضخه إشعاع PB بطول موجة جيل يبلغ 1.06 ميكرومتر إلى 20٪.
ت. تجمع PL المضخ بين مزايا ليزر الحالة الصلبة وأشباه الموصلات. في واقع الأمر ، فإن الوسيط النشط لـ T. l. هو إف. مكثف إشعاع PL من حيث الطيف والزمان والمكان. من المتوقع التطور السريع لهذه المنطقة من بناء الليزر.
تطوير T.L. ، والعمل في cf. الطاقة (نطاقات subkilowatt و kwatt) ، مرتبطة باستبدال AEs الأسطواني بأخرى مستطيلة ، حيث يمر إشعاع الليزر ، وينعكس بشكل متكرر من الأسطح الجانبية لـ AE. في هذه الحالة ، يتحلل عدم التجانس. الطبيعة ، الناتجة عن الضخ ، يتم تعويضها ويكون لها تأثير ضئيل على جودة الحزمة الناتجة.
تطبيقات T. متنوعة للغاية. هذه هي تقنية الليزر (اللحام والقطع وما إلى ذلك) ، وتكنولوجيا الأجهزة الإلكترونية ، والطب ، وتحديد موقع الليزر ، وأنظمة مراقبة تكوين الغلاف الجوي ، والبصرية. معالجة المعلومات ، البصريات المتكاملة والألياف ، التحليل الطيفي بالليزر ، التشخيص بالليزر للبلازما والاندماج النووي الحراري المتحكم فيه ، كيمياء الليزر وفصل النظائر بالليزر ، البصريات غير الخطية ، التصوير عالي السرعة ، الجيروسكوبات بالليزر ، أجهزة قياس الزلازل وغيرها من المواد الفيزيائية الدقيقة. الأجهزة.
أشعل.: 1) كتيب الليزر العابر. من الإنجليزية ، أد. إيه إم بروخوروفا ، المجلد. 1 ، M. ، 1978 ، الفصل. 11-15 ؛ 2) Karlov N.V. محاضرات حول إلكترونيات الكم ، الطبعة الثانية ، M. ، 1988 ؛ 3) أ.م.بروخوروف ، جيل جديد من ليزر الحالة الصلبة ، UFN ، 1986 ، v.148 ، p. 7 ؛ 4) Prokhorov A. M.، Shcherbakov I.A، الليزر المعتمد على بلورات العقيق الأرضية النادرة مع الكروم، Izv. 1341 ؛ 5) إجراءات OSA على ليزر الحالة الصلبة المتقدم. من 7 إلى 10 فبراير 1994 في سالت ليك سيتي ، يوتا ، ضد. عشرين. أنا أ.شيرباكوف.
إرسال عملك الجيد في قاعدة المعرفة أمر بسيط. استخدم النموذج أدناه
سيكون الطلاب وطلاب الدراسات العليا والعلماء الشباب الذين يستخدمون قاعدة المعرفة في دراساتهم وعملهم ممتنين جدًا لك.
مستضاف على http://www.allbest.ru/
الجامعة الوطنية للبحوث التكنولوجية
"معهد موسكو للصلب والسبائك"
عمل الدورة
حول موضوع "مواد وعناصر التكنولوجيا الإلكترونية"
حول موضوع: "مواد ليزر الحالة الصلبة"
إجراء
طالب gr.P4-08-2
كاخانوفا ك.
فحصه كروتوجين دي جي.
موسكو ، 2010
مقدمة
ليزر الحالة الصلبة
الجهاز من أبسط ليزر الحالة الصلبة
خصائص البلورات المستخدمة لتوليد إشعاع الليزر
1. امتصاص وتضخيم الضوء
2. شروط العتبة لتضخيم الضوء
3. خصائص الطاقة وكفاءة الليزر
4. منشطات الأيونات
5. متطلبات البلورات
وسط نشط لليزر الحالة الصلبة
2. النظارات المنشطة
3. قنابل يدوية
4. تنجستات وموليبدات
5. ألياف الليزر
6. تطبيق TTL
فهرس
مقدمة
يتم تحديد تطوير تقنية الليزر إلى حد كبير من خلال قدرات تلك المواد التي يتم على أساسها إنشاء مولدات الكم وأنظمة التحكم في الحزمة الضوئية. واحدة من أهم مجموعات هذه المواد هي البلورات العازلة للكهرباء. لما يقرب من 40 عامًا من تطوير البصريات الكمومية ، تم اختبار مئات البلورات كوسائط لتوليد والتحكم في خصائص الإشعاع الضوئي. ومع ذلك ، وجد عدد قليل منهم تطبيقًا عمليًا.
ليزر الحالة الصلبة(TTL)
ليزر الحالة الصلبة هو ليزر يتكون عنصره النشط من مادة عازلة , في حالة صلبة في ظل الظروف العادية. عادةً ما يتم وضع ليزر أشباه الموصلات في مجموعة منفصلة - وهي ليزر مع عنصر نشط من أشباه الموصلات.
الجهاز من أبسط ليزر الحالة الصلبة
اعتمادًا على النوع والغرض ، يمكن أن يكون لـ TTL تصميم مختلف. على التين. 1 معطى أبسط دائرةباعث ، بما في ذلك عناصر TTL الإلزامية.
أرز. 1. مخطط بصري لباعث أبسط ليزر الحالة الصلبة: 1-باعث؛ 2-مرآة صماء 3-كوانترون 4 طريقة مرآة.
خصائص البلورات المستخدمة لتوليد إشعاع الليزر
1. امتصاص وتضخيم الضوء
يتم تحديد خصائص البلورات الأيونية والعناصر البلورية المستخدمة في إنشاء مولدات الكم من خلال الخصائص الضوئية للبلورات وخصائص توليد الضوء. من أجل تقديم بعض أهم الخصائص ، يجب أن نأخذ في الاعتبار انتشار الضوء في وسط ، مع مراعاة تفاعل الفوتونات والمذبذبات الكمومية.
دع الوسط (الوسط النشط ، أو الجسم العامل) يحتوي على مذبذبات كمومية يمكن وضعها عند مستويات الطاقة ه 1 و ه 2. ويصاحب الانتقال بين هذه المستويات انبعاث أو امتصاص كمية من الضوء hv= ه 1 ه 2 .
عند التوازن ، يصدر كل جزء من الحجم ويمتص نفس عدد الفوتونات لكل وحدة زمنية.
عند كثافة تدفق طاقة تبلغ 1 ميجا واط / سم 2 في المنطقة المرئية من الطيف ، ب 12 =10 -6 أ 21 ، بمعنى آخر. حتى عند كثافات الطاقة الإشعاعية المنخفضة ، يكون الانبعاث المستحث أقوى بكثير من الانبعاث التلقائي.
2. عتبة شروط جديدة لتضخيم الضوء
لكي لا يمتص الوسيط الضوء ، ولكن لتضخيم الضوء ، من الضروري إخراج النظام من التوازن وتحقيق مجموعة عكسية ن 2 >= ن 1 .
شرط ن 2 = ن 1 هو الشرط الأساسي للانتقال من الامتصاص إلى التضخيم دون مراعاة الخسائر.
عند الإثارة (الضخ) لنظام يحتوي على مستويين فقط من الطاقة ه 1 و ه 2 ، عن طريق إثارة النظام بالكم hv = ه 2 - ه 1 ، من المستحيل الحصول على مجموعة سكانية معكوسة بسبب تساوي معدلات الإثارة والانبعاثات. للحصول على مجتمع معكوس ، يجب أن يحتوي النظام على مستوى واحد آخر (ثالث) على الأقل.
شروط العتبة في الوضع النبضي
نظام من ثلاث طبقات . في نظام ثلاثي المستويات (الشكل 2) ، ينقل الضخ المنشطات إلى المستوى 3 ، والتي ينتقلون منها تلقائيًا ، بشكل غير إشعاعي إلى المستوى القابل للاستقرار 2 . لتراكم فعال للمنشطات على المستوى 2 يجب أن يكون العمر عند هذا المستوى كبيرًا بدرجة كافية ، أي يمكن أن يسمى هذا المستوى "مستقر" مع عدد السكان ن م. في المستقبل ، المستوى 1 يشار إليه على أنه "رئيسي" مع عدد السكان ن 0 . يتحقق النظام النبضي إذا كانت دورة التشغيل بين نبضات المضخة كبيرة جدًا بحيث يمر استنفاد المستوى الثابت (اللمعان) بمرور الوقت خلال هذا الوقت.
أرز. 2. مخططات التحولات الرئيسية في المخططات الثلاثة (أ) والأربعة (ب) لمولد الكم البصري. سهام مزدوجة - انتقالات إشعاعية ، أسهم مفردة - انتقالات غير إشعاعية ( دبليو ن- سرعة الضخ أنا - إشعاع الليزر)
لنقل مثل هذا العدد الكبير من المنشطات (أكثر من نصف تركيزها الإجمالي) إلى حالة متحمس ثم إلى حالة غير مستقرة ، يجب أن يكون العمر عند المستوى غير المستقر طويلًا بدرجة كافية. خلاف ذلك ، سوف تكون هناك حاجة إلى طاقات عالية جدا للمضخة. هذا يحد بشكل كبير من عدد الأيونات التي لها مخطط ثلاثي المستويات ويمكن استخدامها عمليًا لإنشاء وسائط نشطة. يتم التخلص من هذه الصعوبة في مخطط المستويات الأربعة.
مخطط من أربعة مستويات . تمت إزالة القيد المرتبط بمتطلبات العمر الطويل جزئيًا للمنشطات ذات المستويات الأربعة للطاقة (الشكل 3). في هذا المخطط ، تحدث إثارة المنشط من مستوى ثابت 1 إلى المستوى 4 والتراكم على مستوى غير مستقر 3 . لا يحدث الانتقال الإشعاعي إلى مستوى مستقر ، ولكن إلى مستوى متوسط. 2 ، مفصولة عن الاسطبل على مسافة عدة كيلو تي وبالتالي انخفاض عدد السكان بشكل ملحوظ. لذلك ، في مخطط المستويات الأربعة ، يمكن تحقيق السكان العكسي في ن م<< ن/2.
شروط العتبة في الوضع المستمر.
تحت الضخ المستمر ، يصبح مستوى توزيع المنشطات ثابتًا. يمكن العثور على مستوى السكان عن طريق حل نظام المستويات الحركية للظروف الثابتة. يحدث التغيير في تعداد المستويات تلقائيًا ويتم فرضه تحت تأثير إشعاع المضخة والمنشط نفسه. إذا كانت معدلات التحولات من مستوى المضخة إلى المستوى الثابت ومن المستوى المتوسط إلى المستوى الرئيسي مرتفعة بدرجة كافية ، فإن القيم ن نو ن صيمكن إهمالها ويمكن افتراض أن المنشطات موجودة بشكل أساسي على الأرض ومستويات ثابتة (ن = ن 0 + ن م).
يمكن تحديد الاختلاف في عدد السكان لليزر رباعي المستويات من خلال مراعاة ذلك السكان بالقرب من العتبة ن صقريب من التوازن.
3. خصائص الطاقة وكفاءة الليزر
خصائص طاقة الخرج لليزر النبضي هي طاقة النبض ، ولليزر المستمر هي الطاقة. عند الوصول إلى عتبة السكان ، تظل طاقة الخرج صفرًا. يتم تحديد قيمة طاقة الخرج من خلال الزيادة في عدد السكان في المستوى الثابت فوق العتبة.
يمكن تعريف كفاءة الليزر على أنها نسبة طاقة الخرج إلى طاقة المضخة. من الناحية العملية ، من الضروري تحديد الكفاءة من خلال اعتبار طاقة المضخة على أنها الطاقة التي يستهلكها الليزر عند الإدخال الكهربائي. في هذه الحالة ، يجب تضمين المعاملات التي تمثل كفاءة الأنظمة الوسيطة في الكفاءة ، على وجه الخصوص ، b هو معامل تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة مشعة أثناء الضخ البصري ؛ كفاءة النظام البصري الذي يعتمد على تصميم النظام البصري ؛ عامل استخدام إشعاع مصباح المضخة في منطقة الامتصاص الطيفي للوسط النشط.
4. منشطات الأيونات
في الليزر ، الذي يتم تشغيله بواسطة البلورات الأيونية ، تكون المنشطات التي توفر النظام الضروري للمستويات إما شوائب تم إدخالها خصيصًا في البلورة أو أيوناتها الخاصة. غالبًا ما يتم إدخال هذه الأيونات في البلورة على شكل شوائب ، وفي كثير من الأحيان - أيونات متضمنة في الصيغة الكيميائية للبلورة المعينة أو عيوب النقطة الجوهرية.
5. متطلبات البلورات
تتبع متطلبات البلورات المستخدمة كوسائط ليزر نشطة ظروف تشغيل هذه البلورات وخصائص تقنية تصنيع عناصر الليزر.
1. يجب أن تحتوي بلورة الليزر على أيونات منشط مع نظام مستويات الطاقة اللازمة لتوليد الضوء. يمكن أن تدخل أيونات المنشط البلورة كمكونات رئيسية ، على سبيل المثال ، في البلورات (Y ، Er) 3 Al 5 O 12 ، KNdP 4 O 12 و NdAl 3 4 ، أو كأيونات بديلة
2. من الطبيعي أن تتطلب شفافية المصفوفة البلورية في نطاق أطوال موجات إشعاع الليزر والمضخة. خلاف ذلك ، سيتم تقليل كفاءة الليزر بسبب امتصاص الإشعاع المفيد بواسطة المصفوفة البلورية نفسها.
3. تقلل القوة الميكانيكية العالية للبلورة من احتمالية تكسيرها تحت تأثير الضغوط الميكانيكية ، والتي يمكن أن تحدث ليس فقط بسبب عدم التجانس الحراري ، ولكن أيضًا لأسباب ميكانيكية بحتة عند تثبيت عنصر الليزر في رأس الليزر. تعتبر الخصائص الميكانيكية للبلور مهمة أيضًا في المعالجة الآلية. من المعروف أنه مع وجود مادة صلبة يكون من الأسهل توفير فئة عالية من المعالجة.
4. بلورة الليزر الموجودة في رأس الليزر متطابقة هيكلياً مع مواد أخرى. مع مثل هذا الاقتران في ظل ظروف درجات حرارة متفاوتة ، يجب أن تؤخذ في الاعتبار معاملات التمدد الحراري لكل من الليزر والمواد الهيكلية.
5. أخيرًا وليس آخرًا ، متطلبات قابلية تصنيع البلور بشكل كافٍ. يشمل مصطلح "قابلية التصنيع" مجموعة واسعة جدًا من الخصائص والميزات التي تجعل من الممكن الحصول على بلورة بالصفات المطلوبة والخصائص الاقتصادية المقبولة في المستوى الحالي للتكنولوجيا.
يتم تحديد إمكانية التطبيق العملي للبلور من خلال مجموعة من الخصائص المذكورة أعلاه. لهذا التطبيق الخاص أو ذاك ، من الضروري الخروج عن بعض المتطلبات. على سبيل المثال ، تتميز بلورات الهاليد القلوية بخصائص ميكانيكية منخفضة للغاية ، لكن الخصائص الفريدة لمراكز ألوانها تجعلها واعدة لإنشاء ليزر قابل لضبط التردد ومعدِّلات الضوء الفوتوكرومية.
نشيطو اناكل أربعاءوصلبةالليزر
1. روبي
لأول مرة ، تم الحصول على إشعاع الليزر باستخدام الكريستال -. اتضح أنه مؤسس عائلة من البلورات ، والتي لا تزال أهم مصفوفات الليزر البلورية ، على الرغم من حقيقة أن توليد الضوء قد تم الحصول عليه بالفعل من مئات البلورات.
يعتبر الياقوت من أوائل البلورات التي أمكن إنتاجها صناعيًا. لأول مرة ، حصل جودين على أصغر بلورات الياقوت في عام 1837 نتيجة تكليس خليط من كبريتيد البوتاسيوم مع الألومينا في بوتقة مغطاة بالسخام.
روبي عبارة عن بلور من أكسيد الألومنيوم يتم فيه استبدال بعض ذرات الألومنيوم بذرات الكروم. في الطبيعة ، يوجد Al 2 O 3 في شكل بلورات نقية وشفافة ، تسمى alpha corundum ، وملونة بسبب وجود الشوائب فيها.
في تقنية الليزر ، يتم استخدام الياقوت الوردي الباهت عادةً مع محتوى من الكروم يبلغ حوالي 0.05٪ ، وهو ما يعادل 1.6 * 10 19 Cr 3+ أيونات في 1 سم 3.
تتمتع بلورات الياقوت بمقاومة كيميائية عالية ، وقابلة للذوبان في الماء بشكل طفيف ، وقابلة للذوبان بشكل طفيف للغاية في غليان أحماض النيتريك أو الفوسفوريك.
أرز. الشكل 2. هيكل بلوري من الياقوت: أ - هيكل Al2O3 ؛ ب - هيكل خلية الوحدة من بلور الياقوت.
معامل التوصيل الحراري لأكسيد الألمونيوم مرتفع للغاية ، وفي اعتماده على درجة الحرارة ، لوحظ الحد الأقصى في المنطقة T = 40K. عند درجة حرارة النيتروجين السائل ، تتجاوز الموصلية الحرارية لأكسيد ألفا حتى تلك الخاصة بالنحاس.
نظرًا لأن بلورة الياقوت متباينة الخواص ، فإن معامل انكسارها يعتمد على استقطاب الإشعاع.
في أغلب الأحيان ، تزرع بلورات الياقوت بطريقة Verneuil وطريقة Czochralski. لتحسين الصفات البصرية للبلورات ، يتم استخدام التلدين بالانتشار العميق حتى 1900 درجة مئوية لمدة 24 ساعة أو أكثر. ومع ذلك ، لا توفر التكنولوجيا الحالية بلورات ذات تماثل بصري عالي وتوزيع منتظم للكروم في المقطع العرضي للعينة.
بلورات الياقوت مقاومة نسبيًا للإشعاع القوي. تحت تأثير أشعة الليزر ذات الطاقة العالية ، أولاً وقبل كل شيء ، يتم تدمير الأسطح الطرفية. تعتمد كثافة قدرة العتبة لتدمير سطح الياقوت على مدة النبضة والعيوب وبنية السطح النهائي. في نطاق النبضات القصيرة (t imp<10 -5 с) пороговая мощность поверхностного разрушения пропорциональна длительности импульса. Для длинных импульсов пороговая мощность не зависит от t имп и равна приблизительно 10 4 Вт/мм 2 .
عادة ما تصنع عناصر الياقوت الليزري على شكل قضبان ، محورها الطولي يصنع زاوية 90 أو 60 درجة مع المحور البصري للبلورة. يتم استقطاب الإشعاع المتولد في مثل هذه العينات خطيًا باستخدام ناقل كهربائي عمودي على المستوى الذي يحتوي على المحور البصري للبلورة ومحور الأسطوانة. في العينات ذات الاتجاه الصفري للمحور البصري ، يكون الإشعاع غير مستقطب ؛ ومع ذلك ، يرتبط نمو هذه البلورات بصعوبات تقنية كبيرة.
2. النظارات المنشطة
إلى جانب البلورات ، تُستخدم الوسائط النشطة القائمة على الزجاج المخدر بالعناصر الأرضية النادرة على نطاق واسع في تقنية الليزر. تشمل مزايا النظارات كمواد نشطة بالليزر ما يلي:
1. قابلية التصنيع ، سهولة إنتاج عينات كبيرة الحجم لشكل معين ،
2. رخص المواد الخام وإمكانية الإنتاج الضخم للمنتجات ذات الخصائص القابلة للتكرار المحددة ،
3. التوحيد البصري العالي للعينات ذات الأحجام الكبيرة ،
4. الخواص الخواص وتوحيد التكوين ،
5. إمكانية إدخال المنشط بالتركيزات المطلوبة بتوزيعه المنتظم على الحجم.
في الوقت نفسه ، مقارنةً بالبلورات ، فإن الزجاج له عيوب ، والتي تشمل:
1. الموصلية الحرارية المنخفضة ومعامل درجة الحرارة العالية للتمدد الخطي ،
2. مساحة محدودة من الشفافية (0.33 ... 2.5 ميكرومتر) ، والتي يمكن أن تصبح أضيق مع إدخال الشوائب.
3. مقاومة كيميائية ضوئية ضعيفة نسبيا.
تظهر مقارنة خصائص البلورات والنظارات أن هذه المواد تكمل بعضها البعض ، وبالتالي فهي مهمة بنفس القدر لتقنية الليزر.
تتيح إمكانية الحصول على عناصر نشطة بصريًا ذات أبعاد كبيرة الحصول على طاقات نبضية عالية جدًا من الليزر الزجاجي (حتى عدة آلاف من الجول). بالإضافة إلى ذلك ، نظرًا للتجانس البصري العالي للمادة الفعالة ، يمكن أن تكون كفاءة المولدات الزجاجية أعلى من كفاءة المولدات البلورية. في الوقت نفسه ، فإن أوجه القصور في الزجاج ، على وجه الخصوص ، الموصلية الحرارية المنخفضة ، تحد من تطبيقها بشكل أساسي على المولدات ذات القدرة الإشعاعية المنخفضة ، أي مع انخفاض معدل تكرار النبض.
تصنف النظارات على أساس - الأنيون المكون للزجاج - ووفقًا لمحتوى الأكاسيد - المعدلات. إذا كان المكون الرئيسي للزجاج هو الكوارتز ، فإن الزجاج يسمى سيليكات ؛ البوراكس أو أنهيدريد البوريك - بورات ؛ الزجاج الذي يحتوي على نسبة عالية من PbO يسمى زجاج الرصاص ، إلخ.
إلى جانب زجاج السيليكات ، تعتبر نظارات الفوسفات ذات أهمية كبيرة في الإلكترونيات الكمومية ، لأنها تسمح بالتوعية الفعالة. تُستخدم أيضًا تكسات الفلوروبيرلات ، والتي أساسها BeF 2. يرجع اختلافهم عن المجموعات الأخرى إلى حقيقة أن هذه الزجاجات لا تعتمد على الأكسجين ، ولكن على مركبات الفلور. يمكن أن تكون تركيبات النظارات الفلورية مختلفة.
تكاد تكون تقنية إنتاج زجاج الليزر هي نفسها التقنية التقليدية لإنتاج زجاج بصري عالي الجودة ، لكن متطلبات نقاء مواد البداية ، والتوحيد البصري ، وكمال الزجاج تزداد بشكل كبير. ترجع المتطلبات الصارمة لنقاء مواد البدء إلى حقيقة أن وجود الشوائب ، وخاصة المعادن الثقيلة ، يؤدي إلى ظهور امتصاص غير نشط غير مرغوب فيه.
تشمل عيوب الزجاج ثباته الكيميائي الضعيف نسبيًا واستقراره الحراري المنخفض. تحت تأثير إشعاع المضخة ، تحدث عمليات كيميائية ضوئية مختلفة في الزجاج ، مما يؤدي إلى ظهور امتصاص إضافي غير نشط. على وجه الخصوص ، تحت تأثير الأشعة فوق البنفسجية ، يتم تقليل الحديد إلى حديد حديد ، والذي يمتص الإشعاع في منطقة 1.06 ميكرومتر. نتيجة لذلك ، يعود عمر الزجاج المنشط بالنيوديميوم ، والذي يتكون من التميع التدريجي لخصائص التوليد حتى يختفي الجيل. يمكن تقليل هذا التأثير باستخدام مرشحات زجاجية خاصة أو محاليل ترشيح تمتص جزءًا من الطيف أقصر من 0.4 ميكرومتر.
تؤدي الموصلية الحرارية المنخفضة والمعامل الحراري العالي للتمدد الخطي إلى ظهور تشوهات وضغوط أثناء التشغيل ، مما قد يؤدي إلى تدهور معايير الإشعاع وتدمير العنصر النشط. يؤثر الانكسار المستحث على توزيع الكثافة على المقطع العرضي للحزمة ويمكن أن يتسبب في استقطاب الإشعاع المتولد.
يعتمد تأثير التشوهات الحرارية بشكل أساسي على هندسة العنصر النشط. تكون التشوهات الحرارية للإشعاع المستقطب المستوي ضئيلة بالنسبة لعينات المقطع العرضي المستطيل ، لأنه مع مثل هذه الهندسة للعينة ، تظهر تدرجات درجة الحرارة الخطية في الغالب فيها.
في هذا الصدد ، في مكبرات الصوت والمذبذبات عالية الطاقة على الزجاج ، يُنصح باستخدام أجسام نشطة ذات مقطع عرضي مستطيل ، حيث يكون للانكسار المستحث تأثير أقل.
3. قنابل يدوية
توسع استخدام العقيق في الإلكترونيات الكمومية الحديثة بشكل كبير ، وهو ما يفسره الجمع الناجح بين خواصها الميكانيكية والفيزيائية الحرارية والبصرية. تمثل هذه الفئة من المواد أكثر من 30 مصفوفة بلورية ذات تركيبة مختلفة ، يتم نقل خصائص الليزر إليها بواسطة اثنين من أيونات مجموعة الحديد (Cr 3+ و Ni 2+) وستة أيونات أرضية نادرة (Nd 3+ ؛ Dy 3+ ؛ Ho 3+ ؛ Er 3+ ؛ Tm 3+ و Yb 3+).
عقيق الإيتريوم المصنوع من الألمنيوم المشبع بالنيوديميوم Y 3 Al 5 O 12 ، وهو المادة الرئيسية لليزر الحالة الصلبة الصناعية التي تعمل في وضع مستمر أو في وضع معدل تكرار النبضات العالية ، وقد حظي بأهمية قصوى كمواد ليزر نشطة . إن بلورة عقيق الإيتريوم الألومنيوم (YAG) متناحرة بصريًا.
أرز. 3. هيكل Y 3 Al 5 O 12
يمكن زراعة بلورات YAG المفردة لليزر من المحلول في الذوبان ، وبطريقة Verneuil ، والطريقة الحرارية المائية ، وطريقة Czochralski. تزرع البلورات الكبيرة التي يصل طولها إلى 100 مم بطريقة Czochralski في بوتقات الإيريديوم عند درجة حرارة 2000 درجة مئوية.
بلورات YAG غير قابلة للذوبان في الأحماض H 2 SO 4 ، HCl ، HNO 3 و HF ، ولكن عند درجات حرارة أعلى من 250 درجة مئوية فإنها تذوب في H3PO4. بلورات YAG غير المنبسطة عديمة اللون. من حيث الصلابة ، فهي أقل شأنا من اكسيد الالمونيوم.
بلورات YAG غير المغطاة شفافة في نطاق طيفي واسع من الأشعة فوق البنفسجية (0.2 ... 0.3 ميكرومتر) إلى الأشعة تحت الحمراء (حوالي 4 ميكرومتر).
تشمل عيوب YAG معامل دخول منخفض لأيونات Nd 3+ ، مما يجعل من الصعب الحصول على بلورات كبيرة مع توزيع موحد للمنشط. لذلك ، يتم إجراء بحث مكثف وناجح للغاية عن الوسائط الجديدة ذات الهيكل العقيق ، والتي لها نفس التوليفات الناجحة من الخصائص الفيزيائية والكيميائية وتوليد الطيف مثل YAG ، ولكنها خالية من عيوبها المتأصلة. تم الحصول على نتائج مشجعة في هذا الاتجاه باستخدام عقيق الغاليوم (GG) ، على وجه الخصوص ، مع عقيق الغاليوم الأرضي النادر (RGEG) و "العقيق المختلط".
عقيق غاليوم الأرض النادرة له خصائص ميكانيكية وحرارية مرضية. تعد بلورات RZGG أكثر تقدمًا من الناحية التكنولوجية من بلورات YAG: فهي تحتوي على نقاط انصهار أقل.
تختلف مؤشرات الانكسار لـ RZGG قليلاً نسبيًا عن بعضها البعض ، على الرغم من التنوع الكبير في التراكيب.
بالإضافة إلى العقيق الذي تنشطه أيونات الأرض النادرة ، تم مؤخرًا إيلاء الكثير من الاهتمام لبلورات RZGG مع الكروم. هذا يرجع إلى عاملين: 1) إدراك قدرات المتبرع لـ Cr 3+ كأيون محسس و 2) إمكانية الحصول على توليد قابل للضبط على التحولات الاهتزازية الإلكترونية للكروم في درجة حرارة الغرفة.
4. التنغستات والموليبدات
الممثل النموذجي لهذه الفئة من المركبات هو وولراميت الكالسيوم (السكيليت).
السكيليت لها خصائص فيزيائية وتكنولوجية مواتية نسبيًا. فهي مستقرة في الهواء ، تكاد تكون غير قابلة للذوبان في الماء. قوتها الميكانيكية ومقاومتها للحرارة أقل إلى حد ما من تلك الموجودة في عقيق الألومنيوم المصنوع من الياقوت واليتريوم. تتميز التنغستات والموليبدات بمقاومة كيميائية عالية نسبيًا. أحماضهم الموجودة في CaWO 4 هي هيدروكلوريك وفوسفوريك عند تسخينها. يذوب تنغستات الكالسيوم في ذوبان بعض أملاح الفلزات القلوية.
تزرع بلورات السكيليت وما شابهها بطريقة Czochralski أو من الأملاح المنصهرة. إن بلورات تنغستات الكالسيوم التي تزرع بواسطة طريقة Czochralski هشة إلى حد ما بسبب الضغوط التي تنشأ في عملية النمو. لذلك ، يتم تلدين البلورات المُصنَّعة في الهواء عند درجة حرارة 1250 درجة مئوية لعدة عشرات من الساعات. يتم إدخال العناصر الأرضية النادرة كمنشطات ، والتي تحل محل أيونات الكالسيوم 2+.
بلور ليزر الحالة الصلبة النبضي
أرز. 4. شعرية بلورية من السكيليت (CaWO 4)
5. ليزر الألياف
في السنوات الأخيرة ، تم تطوير نوع جديد من TTL بسرعة - ليزر الأليافقوة عالية . الوسط النشط لهذه الليزرات عبارة عن ألياف زجاجية مخدرة بـ Yb (l = 1080 nm) أو Er + Yb (l = 1565 nm). قطر الألياف الضوئية o = 20 50 ميكرومتر ؛ إنه محاط بقذيفتين شفافتين (زجاجيتين) - دليل موجي لضخ الإشعاع ، يأتي على طول السطح الخارجي بالكامل للقذيفة من خطوط ليزر الصمام الثنائي من خلال الهياكل المترسبة خصيصًا مثل حواجز Bragg. تتمثل مزايا ليزر الألياف في الجودة العالية للإشعاع نظرًا لغياب تأثير العدسة في الوسط النشط عند تسخينه أثناء الضخ ؛ كفاءة طاقة عالية (تصل إلى 85٪) للتوليد ؛ إزالة جيدة للحرارة حتى مع الليزر متعدد الميكلووات المبرد بالهواء. تتمتع الليزرات الليفية بموثوقية عالية والقدرة على العمل في أي ظروف ، بما في ذلك أنظمة المجال المتنقلة ، والتركيب العضوي لتوصيل الألياف للإشعاع إلى الهدف ، والأبعاد الصغيرة المحطمة للأرقام القياسية ، ومورد فريد. من حيث الطاقة الناتجة ، اقتربوا من ليزر ثاني أكسيد الكربون عالي الطاقة ، وتجاوزوها في الكفاءة الإجمالية. في ليزر الألياف ، يتم حل مشكلة المحاذاة تلقائيًا ، ولا يحتوي المسار البصري على فجوات هوائية حساسة للأتربة والرطوبة. يتفوق ليزر الألياف على نظائره في البلورات في المعلمات وخصائص التشغيل.
6. تطبيق TTL
تلقى الليزر من هذه الفئة دفعة قوية في السنوات الأخيرة بسبب التقدم في تكنولوجيا أشباه الموصلات ، مما جعل من الممكن إنشاء صمامات ثنائية ليزر عالية الطاقة موثوقة لضخ TTL.
تطبيقات ليزر الحالة الصلبة متنوعة للغاية. تستخدم التكنولوجيا (اللحام والقطع وما إلى ذلك) TTL على أساس الياقوت والزجاج النيوديميوم و Y 3 Al 5 O 12 (Nd 3+) مع توليد طاقة من عشرات W إلى عدة كيلوواط.
1. TTL مع هندسة قضيبنشيطة متوسطة مراد. وصلت TTL التي يتم ضخها بواسطة الصمام الثنائي إلى طاقة 8 كيلوواط بجودة بصرية تبلغ 12-25 مم كفاءة mrad لـ TTL التي يتم ضخها بمصباح ، مما جعل من الممكن استخدام ألياف بصرية بقطر 300 ميكرومتر لنقل الإشعاع. يتم استخدامها في قطع ولحام منتجات الألواح الفولاذية ثلاثية الأبعاد (في وضع التوليد المستمر) ، وقطع سبائك الألومنيوم ، وفي عمليات تنظيف الأسطح (في وضع التبديل Q). mrad ، مقارنة بـ 3٪ و 25 مم "من المقبس" إلى 10٪ بجودة إشعاع 12 مم
2. TTL مع هندسة القرصمراد. تم استخدامها في لحام وقطع الفولاذ المقاوم للصدأ ، مع توفير الإشعاع من خلال ألياف بصرية (أقل من 150 ميكرون) ، بما في ذلك استخدامها في الأنظمة الروبوتية لإنهاء اللحام للمنتجات ثلاثية الأبعاد. يولد الوسيط النشط إشعاعًا بقوة تصل إلى 4 كيلوواط بكفاءة "من المقبس" تصل إلى 20٪ وجودة إشعاع 7-8 مم
في الطب ، يتم استخدام TTL على زجاج النيوديميوم بطاقة إشعاعية تبلغ 1000 جول في وضع التوليد الحر (العلاج) و TTL على Al 5 O 12 (Nd 3+) في أوضاع مستمرة أو دورية (الجراحة). يتم استخدام نفس النوع من TTL في الموقع البصري والاتصالات. يتم استخدام TTL بتردد 10-8-10-12 ثانية في التصوير الفوتوغرافي عالي السرعة والوضع الفردي T. l. في الثلاثية الأبعاد أجهزة لتسجيل العمليات السريعة. يتم استخدام TTLs للخدمة الشاقة على الزجاج مع Nd لدراسة البلازما النووية الحرارية. أدى تطوير طرق تكوين النبضات القصيرة وفائقة القصر إلى اكتشاف فئة جديدة من الظواهر الضوئية ، مثل التركيز الذاتي للضوء ، وتشتت الضوء المحفز ، وتحويل التردد البارامتري للضوء.
فهرس
1. A. A. Blistanov بلورات البصريات الكمومية وغير الخطية
2. دليل المواد الكهربائية
3. دليل مرجعي للهندسة الكهربائية والإلكترونية
4. المواد الكهربائية
5. A.Valiulin، S.Gorny، Yu.Grechko Scientific Journal "Photonics" vol. №3 2007
6. في ماخنيوك ، مجلة إيه تير مارتيروسيان العلمية "الضوئيات" المجلد. №7 2008
7. إيه إيه ماك ، في إم ميتكين ، إل إن سومز ، وآخرون ، حول الثوابت الحرارية للنظارات المنشطة. - "صناعة البصريات الميكانيكية" ، 1971 ، العدد 9 ، ص 42-45
استضافت على Allbest.ru
وثائق مماثلة
آلية إنشاء مجموعات سكانية عكسية في مخططات ثلاثية المستويات. مبدأ عمل ليزر الياقوت. تفاصيل تشغيل ليزر الحالة الصلبة في وضع Q-switched مع مصراع سلبي باستخدام التبريد المائي والتوليد المجاني.
ورقة المصطلح ، تمت إضافة 06/25/2011
أساس مبدأ عمل الليزر. تصنيف الليزر وخصائصه الرئيسية. استخدام الليزر في وسم البضائع. طريقة إثارة المادة الفعالة. تشعب شعاع الليزر. نطاق الطول الموجي. مجالات تطبيق الليزر.
عمل ابداعي تمت اضافة 2015/02/24
التعرف على تاريخ إنشاء مولدات الإشعاع الكهرومغناطيسي. وصف الدائرة الكهربائية ودراسة مبادئ تشغيل ليزر أشباه الموصلات. النظر في طرق استخدام الليزر للتأثير على مادة ونقل المعلومات.
ورقة مصطلح ، تمت الإضافة في 05/08/2014
مفهوم الليزر والغرض منه ومبدأ تشغيله ومكوناته الهيكلية. أنواع الليزر وخصائصها. التقنية والمراحل الرئيسية لقياس الطول الموجي لإشعاع الليزر ، وإجراء مقارنة طيف الإشعاع المستحث بالإشعاع العفوي.
العمل المخبري ، تمت الإضافة في 10/26/2009
الخصائص العامة ومخطط مستوى الطاقة لـ Cr2 +: بلورة ZnSe. مرنان انتقائي مع مرشح Lyot و Fabry-Perot etalon. مخطط مرور الأشعة عند المرور عبر منشور مشتت في الرنان. أطياف جيل Cr2 +: ليزر ZnSe.
ورقة مصطلح ، تمت الإضافة 06/29/2012
نظرية قياسات الامتصاص الذري: انبعاث وامتصاص الضوء ، مفهوم خط الامتصاص ومعامل الامتصاص ، محيط خط الامتصاص. مبدأ عمل الليزر. وصف عمل ليزر الهليوم نيون. الليزر على الأصباغ العضوية.
الملخص ، تمت إضافة 03.10.2007
الليزر هو مولد كمي ينبعث في نطاق الأشعة المرئية والأشعة تحت الحمراء. مخطط جهاز الليزر ومبدأ تشغيله. أوضاع مؤقتة لتشغيل الجهاز ، وتواتر إمدادات الطاقة. استخدام الليزر في مختلف فروع العلوم والتكنولوجيا.
الملخص ، تمت الإضافة في 02/28/2011
تاريخ إنشاء الليزر. مبدأ عمل الليزر. بعض الخصائص الفريدة لإشعاع الليزر. تطبيق الليزر في العمليات التكنولوجية المختلفة. استخدام الليزر في صناعة المجوهرات وتكنولوجيا الكمبيوتر. قوة أشعة الليزر.
الملخص ، تمت إضافة 12/17/2014
آلية إنشاء مجموعات سكانية عكسية في مخططات ثلاثية المستويات. مبدأ عمل ليزر الياقوت. ليزر كيو سويتشد. حساب الخصائص ليزر روبيتعمل في وضع التشغيل Q-switched والتشغيل الحر.
ورقة مصطلح ، تمت الإضافة 10/29/2010
طرق إنشاء وسيط نشط لليزر الإكسيمر للتفريغ الكهربائي. أنظمة ضخ خليط العمل. ردود الفعل على هاليدات الغاز. خصائص ليزر XeCl للتفريغ الكهربائي. تشكيل إشعاع من خط طيفي ضيق في مرنان انتقائي.
ليزر الحالة الصلبة هو ليزر الوسيط النشط عبارة عن بلورات عازلة وزجاج أو بلورات عازلة مع عيوب نقطية خاصة بها. عادةً ما تعمل أيونات العناصر الأرضية النادرة أو أيونات مجموعة الحديد كمنشطات للبلورات والنظارات. تنشأ عيوب النقطة الجوهرية في البلورات تحت تأثير الإشعاع المؤين أو عن طريق التلوين الإضافي. يتم استخدام مستويات الطاقة للمنشطات أو العيوب الجوهرية لإنشاء مجموعة عكسية.
يستخدم الليزر على نطاق واسع في بلورات الياقوت - أكسيد الألومنيوم (Al 2 O 3) ، حيث يتم استبدال حوالي 0.05٪ من ذرات الألومنيوم بأيونات الكروم Cr 3+ ، على عقيق الإيتريوم من الألومنيوم (Y 3 Al 5 O 12) ، على أكواب تحتوي على شوائب أيونات النيوديميوم (Nd 3+) ، تيربيوم (Tb 3+) ، الإيتربيوم (Yb 3+) ، إلخ. أكثر من 250 بلورة وحوالي 20 كوبًا تعطي انبعاثًا محفزًا بترددات مختلفة.
يمتد نطاق الطول الموجي لليزر الحالة الصلبة من الأشعة فوق البنفسجية إلى منطقة منتصف الأشعة تحت الحمراء. تعمل في أوضاع نبضية ومستمرة وشبه مستمرة.
يتم إنتاج ليزر الحالة الصلبة وفقًا لمخطط من ثلاثة أو أربعة مستويات. عادة ما يكون العنصر النشط لهذه الليزرات على شكل أسطوانة دائرية أو قضيب مستطيل. في بعض الأحيان يتم استخدام عنصر نشط للتكوينات الأكثر تعقيدًا أيضًا. التصميم الأكثر استخدامًا لليزر الحالة الصلبة ، حيث يتم وضع عنصر نشط أسطواني ، مع مصباح مضخة تفريغ الغاز ، في غرفة إضاءة ، والتي تركز إشعاع مصباح المضخة في العنصر النشط. نظرًا للانعكاسات المتعددة لإشعاع المضخة من السطح الداخلي لغرفة الإنارة ، يتم تحقيق امتصاصها الكامل للعنصر النشط. تُستخدم أجهزة الإنارة حيث يعمل مصباح مضخة واحد على عدة عناصر نشطة أو ، على العكس من ذلك ، يتم ضخ عنصر نشط واحد بواسطة عدة مصابيح أو أكثر.
يمتد نطاق الطول الموجي لليزر الحالة الصلبة من الأشعة فوق البنفسجية إلى منطقة منتصف الأشعة تحت الحمراء. تعمل ليزرات الحالة الصلبة في أوضاع نبضية ، و cw ، و شبه cw. بالنسبة لليزر الحالة الصلبة الموجودة ، يمكن أن تصل طاقة التوليد في الوضع المستمر إلى 1-3 كيلو واط مع خرج طاقة محدد يبلغ ~ 10 واط لكل 1 سم 3 من الوسط النشط بكفاءة تبلغ حوالي 3٪. يتم تحقيق قوة متوسطة تبلغ 10 3 وات بمعدل تكرار نبضي يصل إلى 100 هرتز في ليزر الحالة الصلبة النبضي المتكرر في وضع التشغيل الحر مع مدة نبضة تبلغ 10 -3 10 -4 ثانية.
يحتل ليزر الحالة الصلبة مكانًا فريدًا في تطوير الليزر. هذه أجهزة سهلة الصيانة قادرة على توليد طاقة عالية الطاقة.
يمكن استخدام مصابيح LED والمصابيح وأنواع الليزر الأخرى لضخ ليزر الحالة الصلبة. تسمى ليزرات الحالة الصلبة التي يتم ضخها بواسطة الصمام الثنائي DPSS - الحالة الصلبة التي يتم ضخها بواسطة الصمام الثنائي.
يختلف ليزر الحالة الصلبة بشكل أساسي عن ليزر الغاز فقط في طبيعة الضخ. لإنشاء إشعاع متماسك يستخدم الضخ البصري.
يتم الضخ عادة من خلال سائل تبريد مادة العمل ويتم تنفيذه باستخدام الإشعاع من مصابيح تفريغ الغاز ، ومصابيح LED ، والليزر ، إلخ. يستخدم ضخ المصباح على نطاق واسع.
عادة ، في تصميم ليزر الحالة الصلبة (الشكل 3.19) ، يتم استخدام قضيب (ليزر) نشط 1 ومصباح المضخة 2 نفس التصميم ("قلم رصاص"). المرايا 3 و 4 يتم فصل الرنان البصري بواسطة مصراع تحكم بصري 5 . من أجل الاستخدام الفعال لطاقة المضخة الضوئية ، يتم استخدام القضيب 1 ومصباح 2 وضعها في عاكس مغلق 6 شكل بيضاوي. في نفس الوقت ، العناصر 1 و 2 يتم وضعها في بؤر المقطع الإهليلجي للعاكس ، مما يجعل من الممكن تركيز طاقة الضخ البصري في حجم الوسط النشط. العاكس 6 مليئة بسائل التبريد ، والذي يتم ضخه بشكل دوري عبر الليزر.
الوسط النشط عبارة عن عازل بلوري أو غير متبلور له مراكز تلألؤ.
صورة. 3.19 - ليزر الحالة الصلبة المستمر (خيار تصميم)
من بين مواد الليزر ، فإن المجموعة الأكثر تمثيلا هي البلورات الأيونية ذات الشوائب. بلورات مركبات الفلوريد غير العضوية (CaF 2 ، لاف 3 ، LiYF 4 ) ، أكاسيد (Al 2 ا 3 ) والمركبات المعقدة (CaWO 4 ، ص 3 ال 15 ا 12 ، كاليفورنيا 5 (ص 4 ) 3 F) تحتوي على أيونات الشبكة البلورية للشوائب النشطة ، والأرض النادرة (السماريوم Sm 2+ ، الديسبروسيوم Dy 2+ ، الثوليوم Tw 2+ ، Tw 3+ ، البراسيوديميوم Pr 3+ ، النيوديميوم Nd 3+ ، الإربيوم Er 3+ ، هولميوم هو 3+) ، عناصر انتقالية (كروم Cr 3+ ، نيكل Ni 2+ ، كوبالت Co 2+ ، فاناديوم V 2+) أو أيونات اليورانيوم U 3+. يتراوح تركيز الشوائب النشطة في البلورات من 0.05 إلى عدة بالمائة (بالوزن). يتم تحفيز الليزر عن طريق الضخ البصري ، ويتم امتصاص الطاقة بشكل أساسي بواسطة أيونات الشوائب. تتميز مواد الليزر المدروسة بتركيز عالٍ من الجسيمات النشطة (10 19-10 21 سم -3) ، وعرض صغير جدًا لخط التوليد (0.001-0.1 نانومتر) وانحراف زاوي صغير للإشعاع المتولد.
تشمل عيوب هذه المواد معامل منخفض (15٪) لتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة إشعاع ليزر في نظام "مضخة المصباح البلوري" ، وتعقيد تصنيع قضبان الليزر كبيرة الحجم وتوحيدها البصري الضروري.
تزرع بلورات الليزر ذات الجرعات الشوائب ، كقاعدة عامة ، عن طريق التبلور الاتجاهي للذوبان في أجهزة (التبلور) الخاصة التي تضمن ثباتًا عاليًا لدرجة حرارة الذوبان ومعدل نمو البلورات. يتم قطع قضبان أسطوانية يصل طولها إلى 250 مم وقطرها 2-20 مم من البلورات المزروعة. نهايات القضبان مطحونة ومن ثم يتم صقلها. في معظم الحالات ، تصنع القضبان بنهايات مسطحة موازية لبعضها البعض ، بدقة 3-5 بوصات ، ومتعامدة تمامًا مع المحور الهندسي للقضيب. ومن الممكن استخدام نهايات كروية أو أخرى (غير -التكوين القياسي.
كعنصر نشط في الأولالليزر الصناعي المستخدم روبي.
الياقوت (من Lat. ruberus - red and late. rubinus) هو نوع من معدن اكسيد الالمونيوم (Al 2 O 3) ، ولكنه يحتوي على شوائب من أيونات الكروم Cr 3+ (من المئات إلى 2٪ ، عادةً 0.05٪) ، والتي تحل محل تحدد أيونات الألومنيوم Al 3+ و (على عكس اكسيد الالمونيوم عديم اللون) اللون الأحمر للياقوت. الطول الموجي لتذبذبات ليزر الياقوت هو λ = 694.3 نانومتر.
فيالوقت الحاضريتم إنشاء ليزر الحالة الصلبة أساسًا على أساس بلورات عقيق الإيتريوم والألمنيوم مع إضافة أيونات النيوديميوم (Nd: YAG). الوسط النشط فيها هو البلورة Y 3 ال 5 ا 12 ، فيه جزء من الأيونات Y 3+ استبدال الأيوناتنيوديميوم ثلاثي التكافؤاختصار الثاني 3+ .
يمكن أن تعمل ليزر Nd: YAG في الوضعين المستمر والنبضي. عند التشغيل في الوضع النبضي ، تُستخدم مصابيح الزينون للضخ (بقدرة ضخ تبلغ حوالي 10 وات) ، وفي الوضع المستمر ، يتم استخدام مصابيح الكريبتون (بقدرة ضخ تبلغ 100 وات تقريبًا). أبعاد القضبان هي نفس أبعاد ليزر الياقوت.
معلمات انتاج الطاقة:
في الوضع متعدد الأوضاع المستمر - حتى 500 واط ؛
في وضع النبض مع معدل تكرار النبض العالي (50 هرتز) - حتى 200 واط ؛
في وضع RDM - حتى 50 ميغاواط.
تستخدم أجهزة CtP أشعة ليزر تتراوح من 1 واط إلى عدة كيلوواط. تتراوح الكفاءة من 3 (عند استخدامها لضخ المصابيح) إلى 10٪ (عند استخدامها لضخ الثنائيات). يصل عمق المجال في هذه الحالة إلى 60 ميكرون. استخدم أشعة الليزر ذات الطول الموجي 1064 نانومتر وكذلك معتردد مزدوج (532 نانومتر).
لاستخدام الطاقة الإشعاعية لمصباح المضخة بكفاءة ، يتم استخدام عاكس مغلق مملوء بسائل تبريد يتم ضخه عبر حجمه. أحد أكثر أشكال العاكس كفاءة هو الشكل البيضاوي. مع هذا الشكل لقسم العاكس ، يتم وضع مصباح المضخة والعنصر النشط في بؤر قسم بيضاوي ، مما يضمن أقصى تركيز للطاقة الضوئية للمضخة في سمك العنصر النشط.
يمكن استخدام الأطراف المشكّلة بصريًا للعنصر النشط كمرايا مرنان بصري في ليزر الحالة الصلبة ، إذا لزم الأمر ، مع تزويدها بطبقات عاكسة للحصول على القيم المطلوبة لمعاملات الانعكاس والانتقال. إذا كان من الضروري الحصول على خصائص خاصة لإشعاع الليزر (خاصية الاستقطاب ، تكوين الوضع ، إلخ) ، يمكن أيضًا أن تكون مرايا الرنان البصري خارجية ، والتي يمكن أن تكون أيضًا بسبب تقنية المعالجة والطلاء البصريين.
يتطلب العنصر النشط ومصباح المضخة في ليزر الحالة الصلبة عادةً تبريد سائل في الحالات التي لا تكون فيها طاقة خرج الليزر منخفضة بدرجة كافية (على مستوى ملي واط). يؤدي هذا إلى تعقيد التصميم ، حيث أن طاقة الضخ ستمر عبر المبرد ، والذي لا ينبغي أن يمتصه هذا السائل بشكل ملحوظ.
عادة ، يتم تجهيز ليزر الحالة الصلبة ، بالإضافة إلى مصدر الطاقة ، بنظام تبريد خاص بمضخة ومبادل حراري ، مما يؤدي إلى انخفاض في الكفاءة الكلية ويستلزم صيانة وقائية إضافية أثناء التشغيل.
يتم عرض نسخة من ليزر ND: YAG الذي يتم ضخه بمصباح في الشكل. 3.20. كانت مصادر الليزر ND: YAG التي يتم ضخها بمصباح الحالة الصلبة هي أول مصادر الليزر المستخدمة في أنظمة CtP في فلكسوغرافيا. اليوم يتم تثبيتها في العديد من الأنظمة ، لأنها حل موثوق ومثبت. تم تطوير مكونات مثل هذه الليزرات على مدى عدة عقود ، واليوم تعمل مئات الشركات حول العالم في إنتاجها.
الشكل 3.20. إصدار ليزر ND: YAG الذي يضخ بمصباح: 1 - المرآة الخلفية ؛ 2 - مصباح المضخة ؛ 3 - Nd: بلور YAG ؛ 4 - عاكس 5 - المثبط 6 - مرآة الإخراج ؛ 7 - معدل الضوء ؛ 8 - تركيز النظام البصري
أجبر عدد من أوجه القصور المتأصلة في هذه الليزر ، في بعض الحالات ، على البحث عن بديل لها. تطوير وتحسين تقنية الليزر في التسعينيات. أدى إلى انتشار ليزر الحالة الصلبة ، حيث تم استبدال مصدر ضوء المصباح بليزر أشباه الموصلات (الثنائيات). يظهر أحد متغيرات النظام البصري لمثل هذه الليزرات في الشكل. 3.21.
الشكل 3.21 - إصدار ليزر Nd: YAG مع ضخ أشباه الموصلات: 1 - المرآة الخلفية ؛ 2 - صمامات الليزر الضوئية ثنائية المضخة ؛ 3 - Nd: بلور YAG ؛ 4 - الجسم 5 - المثبط 6 - مرآة الخرج ، 7 - مغير الضوء ؛ 8 - تركيز النظام البصري
تستخدم أشعة الليزر التي يتم ضخها بأشباه الموصلات (الصمام الثنائي) ثنائيات ليزر عالية الطاقة بدلاً من المصابيح ، مما ينبعث منها ضوء بطول الموجة (808 نانومتر) المطلوب لتوليد إشعاع الليزر من بلورة الليزر Nd: YAG. يتمثل الاختلاف الرئيسي بين هذه الليزرات والليزرات التي يتم ضخها في المصباح في كفاءة أعلى بكثير (بترتيب من حيث الحجم) في تحويل الإشعاع من ثنائيات الليزر عالية الطاقة ، مما يجعل من الممكن تجنب الاستهلاك العالي للطاقة والاستغناء عن تبريد المياه الخارجي المكثف ( لا تزال دائرة تبريد المياه الداخلية للجسم النشط بالليزر ضرورية). كل هذا يجعل أنظمة تسجيل الصور بهذه الليزرات أكثر ملاءمة للاستخدام.
تتيح قوة الليزر الذي يتم ضخه بأشباه الموصلات إمكانية تقسيم شعاع إشعاع الليزر إلى عدة حزم يتم التحكم فيها بشكل منفصل ، دون التقليل من جودة الإشعاع. نتيجة لذلك ، لا غنى عن مثل هذه الليزرات لبناء أنظمة تسجيل ضوئي متعددة الحزم تُستخدم لزيادة الإنتاجية ، حيث أن العديد من الحزم تعرض المواد بشكل متوازٍ.
في الأجهزة التي بها انقسام شعاع الليزر (على عكس الأنظمة التي تستخدم فيها ليزران مختلفان) ، لا يظهر النطاقات على الصورة النقطية بمرور الوقت. من المعروف أنه في الليزر ، بعد مرور بعض الوقت ، يمكن أن يحدث انحراف طفيف في شعاع الليزر ، والذي يتم التعبير عنه بإزاحة صغيرة (عدة ميكرونات) من بقعة التسجيل على المادة في اتجاه عشوائي. ولكن عندما يتم الحصول على حزمتين عن طريق تقسيم شعاع واحد ، فإن هذا الإزاحة لكلا نقطتي التسجيل يحدث بشكل متزامن ولا يؤدي إلى مشاكل. إذا تم استخدام نوعين من الليزر ، فمن الممكن عدم تطابق البقع ، مما يؤدي إلى ظهور العصابات في الصورة. لا يمكن القضاء على هذا التأثير إلا عن طريق إعادة المعايرة ، والتي لا يمكن إجراؤها إلا بواسطة موظفين مدربين تدريباً خاصاً.
يحتوي ليزر الحالة الصلبة على ما يلي ذو قيمةأنت:
يتيح الطول الموجي الصغير الحصول على بقعة بقطر أقل من 10 ميكرون وزيادة دقة التسجيل بشكل كبير ؛
الحد الأدنى من الخسائر عند المرور عبر أدلة ضوء الألياف الضوئية وسهولة التعديل يبسط تصميم أنظمة الليزر ؛
عدد كبير من المواد المعروفة (خاصة المعادن) لها معامل امتصاص عالي في منطقة الأطوال الموجية المنبعثة ، مما يسهل تطوير ألواح الطباعة ويزيد من كفاءة الكتابة بالليزر.
بالمقارنة مع ليزر ثاني أكسيد الكربون ، فإنها تعمل بطول موجي أقصر بكثير ، مما يجعل من الممكن تركيز إشعاع ليزر الحالة الصلبة في بقعة أصغر. بالمقارنة مع ليزر الأرجون ، فإنها توفر قيمة كفاءة أعلى مرتين إلى ثلاث مرات. تشمل مزاياها أيضًا الاكتناز ، والتنقل ، وما إلى ذلك.
بالمقارنة مع ليزر الغاز ، تعد ليزر القنابل أكثر تكلفة وتتطلب مزيدًا من الاهتمام للوقاية أثناء التشغيل - من الضروري الاستبدال الدوري لمصابيح الضخ ، والحفاظ على نظافة المبرد الذي يتم من خلاله الضخ. بالإضافة إلى ذلك ، في ليزر العقيق ، هناك بعض الصعوبات في ضمان استقرار الإشعاع.
في أجهزة CtP المجهزة بليزر الحالة الصلبة ، تقدم الشركات ألواح بلمرة ضوئية وفضية ، بالإضافة إلى ألواح ذات طبقات هجينة وحساسة حراريًا. في هذه الحالة ، تحت تأثير الليزر بطول موجة 1064 نانومتر ، يمكن أن تتعرض الطبقات الحساسة للحرارة للتدمير الحراري أو الاجتثاث أو التركيب الحراري.
تُستخدم ليزر الحالة الصلبة YAG في أجهزة CtP Polaris (Agfa) و LaserStar LS (Krause) و DigiPlater (PPI) وغيرها الكثير. في الآونة الأخيرة ، ومع ذلك ، تم استخدام ثنائيات الليزر بشكل متزايد بدلاً من ليزر الحالة الصلبة.
في FNA ، لا يتم استخدام ليزر الحالة الصلبة عمليًا.
