Lasertehnoloogia on inimeste ellu sisenenud igast küljest, kuid lasergeneraatoreid on palju erinevaid, igaühel neist on erinev lainepikkus ja omadused, seega on ka rakendusvaldkonnad erinevad. Usun, et enamiku inimeste jaoks on keerukate lasergeneraatorite ees väike peavalu. Seetõttu võtab see artikkel kokku ja selgitab ükshaaval erinevat tüüpi lasergeneraatorite omadusi ja praktilisi rakendusi.
Erinevate töökeskkondade järgi jagunevad lasergeneraatorid kuueks tüübiks: tahkis-, gaasi-, värvaine-, diood-, kiud- ja vabade elektronide lasergeneraatorid. Nende hulgas on palju tahkis- ja gaasilaserite alajaotusi. Välja arvatud vabade elektronide laserid, on erinevate laserite põhilised tööpõhimõtted samad, sealhulgas pumpallikas, optiline resonaator ja võimenduskeskkond.
Tahkislasergeneraator
Tahkislasergeneraatorites kasutatakse valgust üldiselt pumbaallikana ning valgust genereerivat kristalli või klaasi nimetatakse töömaterjaliks. Materjal koosneb maatriksist ja aktiveeritud ioonist. Maatriksmaterjal tagab aktiveeritud ioonile sobiva olemasolu ja töökeskkonna ning aktiveeritud ioon viib laserkiire genereerimise protsessi lõpule. Tavaliselt kasutatavad aktiivsed ioonid on peamiselt siirdemetallide ioonid, nagu kroom, koobalt, nikkel ja muud ioonid, ning haruldaste muldmetallide ioonid, näiteks neodüümi ioonid. Resonaatorpeeglitena kasutatakse dielektrilise kilega kaetud peegleid, millest üks on täispeegel ja teine poolpeegel. Erinevate aktiveeritud ioonide, erinevate maatriksmaterjalide ja erinevate valguse ergastuse lainepikkuste kasutamisel kiirguvad erineva lainepikkusega laserid.
Rubiinlasergeneraatori väljundlainepikkus on 694.3 nm ja fotoelektrilise muundamise määr on madal, vaid 0.1%. Selle fluorestsentsi eluiga on aga pikk, mis soodustab energia salvestamist, ja see suudab väljastada suure impulsi tippvõimsuse. Pliiatsi südamiku paksuse ja pika sõrmega rubiinvarda tekitatud laser suudab kergesti läbistada raudpleki. Enne tõhusamate YAG-lasersüsteemide tekkimist kasutati rubiinlasersüsteeme laialdaselt... laser lõikamine ja puurimine. Lisaks neelab melaniin 694 nm valgust kergesti, seega kasutatakse rubiinlasereid ka pigmenteerunud kahjustuste (nahalaikude) ravis.
Tänu oma kristallilistele omadustele on Ti:Sapphire lasergeneraatoril lai häälestamisvahemik (st häälestatava lainepikkuse vahemik) ja see suudab vastavalt vajadusele väljastada valgust lainepikkusega 660 nm–1200 nm. Koos sageduse kahekordistamise tehnoloogia küpsusega (mis suudab valguse sagedust kahekordistada ehk lainepikkust poole võrra vähendada) saab lainepikkuste vahemikku laiendada 330 nm–600 nm-ni. Titaansafiirlaserite süsteeme kasutatakse femto2nd-spektroskoopias, mittelineaarse optika uuringutes, valge valguse genereerimisel, terahertslainete genereerimisel jne ning neil on rakendusi ka meditsiinilises ilutööstuses.
YAG on ütriumalumiiniumgranaadi lühend ja praegu on see kõige parem laserkristallmaatriks. Pärast neodüümi (Nd) lisamist võib see väljastada 1064nm valgust ja maksimaalne pidev väljundvõimsus võib ulatuda 1000 W-ni. Alguses kasutati pumbaallikana inertgaasil põhinevat välklambi, kuid välklambi pumba meetodil oli lai spektraalne vahemik, halb kokkulangevus võimenduskeskkonna neeldumisspektriga ja suur termiline koormus, mille tulemuseks oli madal fotoelektriline muundamise määr. Seega on nüüd LD (laserdiood) pumpamise abil saavutatav kõrge efektiivsus, suur võimsus ja pikk eluiga. Nd:YAG lasergeneraatoreid saab kasutada hemangioomide ravis ja kasvaja kasvu pärssimiseks. Kuid koe termiline kahjustus on mitteselektiivne. Kasvaja veresoonte koaguleerimisel kahjustab liigne energia ka ümbritsevat normaalset kude ja pärast operatsiooni on lihtne arme jätta. Seetõttu kasutatakse Nd:YAG laserit enamasti kirurgias, günekoloogias, kõrva-nina-kurguhaigustes ja vähem dermatoloogias.
Yb:YAG, ütterbium (Yb) on legeeritud YAG-i, mis suudab väljastada 1030 nm valgust. Yb:YAG-i pumba lainepikkus on 941 nm, mis on väga lähedal väljundlainepikkusele, mis võimaldab saavutada pumba kvantefektiivsuse 91.4%, ja pumba tekitatud soojus summutatakse piiresse. 10% (suurem osa sisendenergiast muundatakse väljundenergiaks, millest väike osa muutub soojuseks, mis tähendab, et muundamise efektiivsus on väga kõrge), mis on 25% kuni 30% Nd:YAG-ist. Yb:YAG-ist on saanud üks atraktiivsemaid tahkislaserkeskkondi ning LD-pumbaga suure võimsusega Yb:YAG tahkislasergeneraatoritest on saanud uus uurimisvaldkond ning neid peetakse üheks peamiseks suure tõhususega ja suure võimsusega tahkislasergeneraatorite arendussuunaks.
Lisaks kahele eelnevale saab YAG-i legeerida ka holmiumi (Ho), erbiumi (Er) jne. Ho:YAG toodab silmasõbralikke 2097 nm ja 2091 nm lasereid, mida kasutatakse peamiselt optilise side, radari ja meditsiiniliste rakenduste jaoks. Er:YAG kiirgab 2.9 μm lainepikkusega valgust ja inimkehal on selle lainepikkuse kõrge neeldumiskiirus, millel on suur rakenduspotentsiaal laserkirurgias ja veresoontekirurgias.
Gaaslasergeneraator
Gaaslaserite generaatorid on lasersüsteemid, mis kasutavad võimenduskeskkonnana gaasi, tavaliselt pumpades gaaslahendusi. Gaaside tüüpide hulka kuuluvad aatomgaasid (heelium-neoon, väärisgaasiioon ja metalliaur), molekulaargaasid (lämmastik ja süsinikdioksiid), eksimeergaasid ja need tekivad keemiliste reaktsioonide teel.
HeNe lasergeneraator (HeNe) kasutab võimenduskeskkonnana segu, mis koosneb vähemalt 75% He ja kuni 15% Ne sisaldusest. Sõltuvalt töökeskkonnast võib see kiirata rohelist (543.5 nm), kollast (594.1 nm), oranži (612.0 nm), punast (632.8 nm) ja kolme tüüpi lähiinfrapunavalgust (3 nm, 1152 nm ja 1523 nm), millest kõige sagedamini kasutatakse punast valgust (3391 nm). HeNe lasergeneraatori väljundkiir on Gaussi jaotusega ja kiire kvaliteet on väga stabiilne. Kuigi võimsus pole suur, on sellel head tulemused täppismõõtmiste valdkonnas.
Levinumad väärisgaasilasergeneraatorid on argoonioonid (Ar+) ja krüptoonioonid (Kr+). Selle energia muundamise määr võib ulatuda kuni 0.6%-ni ning see suudab pikka aega pidevalt ja stabiilselt väljundvõimsust 30–50 W ja selle eluiga ületab 1000 tundi. Seda kasutatakse peamiselt laserekraanidel, Ramani spektroskoopias, holograafias, mittelineaarses optikas ja muudes uurimisvaldkondades, samuti meditsiinilises diagnostikas, trükivärvide eraldamises, metroloogia materjalide töötlemisel ja infotöötluses.
Näiteks metall-auruga lasergeneraatorid on vaseauruga lasergeneraatorid. Vaseauruga lasergeneraatorid kiirgavad peamiselt rohelist valgust (510.5 nm) ja kollast valgust (578.2 nm), mille keskmine võimsus võib ulatuda 100 W ja tippvõimsuseni 100 kW. Nende peamine rakendusala on värvilasergeneraatorite pumpallikas. Lisaks saab neid kasutada ka kiire välklambiga pildistamiseks, suure ekraaniga projektsioonteleviisorite jaoks ja materjalide töötlemiseks.
Lämmastiku molekulaarlasergeneraator kasutab võimenduskeskkonnana lämmastikku, mis võib kiirata ultraviolettvalgust lainepikkustel 337.1 nm, 357.7 nm ja 315.9 nm ning tippvõimsus võib ulatuda 45 kW-ni. Seda saab kasutada orgaaniliste värvainelasergeneraatorite pumba valgusallikana ning seda kasutatakse laialdaselt ka isotoopide lasereralduses, fluorestsentsdiagnostikas, ülikiirel fotograafias, reostuse tuvastamisel, meditsiinis ja tervishoius ning põllumajanduslikus aretuses. Kuna selle lühikest lainepikkust on kergem fokuseerida väikese täpi saamiseks, saab seda kasutada ka submikroniliste komponentide töötlemiseks.
Kasutatav võimenduskeskkond CO2 Lasergeneraator on süsinikdioksiidist, heeliumi ja lämmastikust koosnev segu, mis suudab kiirata kaug-infrapunavalgust lainepikkustega 9.6 μm ja 10.6 μm. Generaatoril on kõrge energiamuundamise kiirus, väljundvõimsus võib ulatuda mitmest vatist kümnete tuhandete vattideni ja äärmiselt kõrge kiire kvaliteet muudab selle... CO2 lasergeneraatorit kasutatakse laialdaselt materjalide töötlemisel, teadusuuringutes, riigikaitses ja meditsiinis. Kohtate erinevaid CO2 laserlõikurid ja lasergraveerijad puidu, MDF-plaadi, vineeri, kanga, naha, klaasi, plasti ja akrüüli graveerimiseks ja lõikamiseks teie igapäevaelus ja ettevõttes.
Eksimeerid on ebastabiilsed molekulid, mis on resonaatoris täidetud erinevate väärisgaaside ja halogeengaaside segudega, et tekitada erineva lainepikkusega lasereid. Ergastamine saavutatakse tavaliselt relativistlike elektronkiirte (energia üle 200 keV) või põikisuunaliste kiirete impulsslahenduste abil. Kui ergastatud oleku eksimeeri ebastabiilsed molekulaarsed sidemed purunevad ja dissotsieeruvad põhioleku aatomiteks, vabaneb ergastatud oleku energia laserkiirguse kujul. Seda kasutatakse laialdaselt meditsiinis, optilises sides, pooljuhtekraanides, kaugseires, laserrelvades ja muudes valdkondades.
Keemiline lasergeneraator on spetsiaalne gaaslaser-süsteem, mis kasutab keemilise reaktsiooni käigus vabanevat energiat osakeste arvu inversiooni teostamiseks. Enamik neist töötab molekulaarse ülemineku režiimis ja tüüpiline lainepikkuste vahemik on lähiinfrapuna ja keskmise infrapuna spektraalpiirkonnas. Kõige olulisemad neist on vesinikfluoriidi (HF) ja deuteeriumfluoriidi (DF) seadmed. Esimene suudab väljastada rohkem kui 15 spektraaljoont vahemikus 2.6–3.3 mikronit; teine umbes 25 spektraaljoont vahemikus 3.5–4.2 mikronit. Mõlemad seadmed on praegu võimelised väljastama mitme megavatise võimsuse. Oma tohutu energia tõttu kasutatakse seda üldiselt tuumatehnikas ja sõjanduses.
Värvlasergeneraator
Värvlasergeneraatorid kasutavad laserkeskkonnana orgaanilist värvainet, tavaliselt vedelat lahust. Värvlasergeneraatoreid saab üldiselt kasutada laiemas lainepikkuste vahemikus kui gaasilisi ja tahkislasereid. Nende lai ribalaius muudab need eriti sobivaks häälestatavate ja impulsslaserite jaoks. Lühikese keskkonna eluea ja piiratud väljundvõimsuse tõttu asendatakse see aga põhimõtteliselt lainepikkuste järgi häälestatavate tahkislaseritega, näiteks titaansafiirlaseritega.
Dioodlasergeneraator
Dioodlasergeneraator on lasersüsteem, mis kasutab töömaterjalina pooljuhtmaterjale. Sellel on kolm ergastusrežiimi: elektriline sissepritse, elektronkiire ergastus ja optiline pumpamine. Väike suurus, madal hind, kõrge efektiivsus, pikk kasutusiga ja väike energiatarve ning seda saab kasutada elektroonilise teabe, laserprintimise, laserpointeri, optilise side, lasertelevisiooni, väikese laserprojektori, elektroonilise teabe, integreeritud optika ja muude valdkondade valdkonnas.
Kiudlasergeneraator
Kiudlasergeneraator on lasersüsteem, mis kasutab võimenduskeskkonnana haruldaste muldmetallidega legeeritud klaaskiudu. Seda kasutatakse laialdaselt metalli- ja mittemetallitrüki, märgistamise, graveerimise, puurimise, lõikamise, puhastamise, keevitamise (kõvajoodisega jootmine, vees karastamine, plakeerimine ja sügavkeevitus), sõjaväe, kaitse- ja julgeolekuvaldkonnas, meditsiiniseadmete, suure infrastruktuuri ja muude laserallikate pumbana. Te kohtute... kiudlaseriga graveerijad isikupärastatud tekstide ja mustrite jaoks, kiudlaserlõikurid metallitöötlemiseks, kiudlaserpuhastusmasinad rooste eemaldamiseks, värvi eemaldamiseks ja katte eemaldamiseks, kiudlaserkeevitusmasinad metallühenduste jaoks teie elus.
Vaba elektronlasergeneraator
Vabade elektronide lasergeneraator on uut tüüpi suure võimsusega koherentne kiirgusallikas, mis erineb traditsioonilisest lasergeneraatorist. See ei vaja töömaterjalina gaasi, vedelikku ega tahket ainet, vaid muundab suure energiaga elektronkiire kineetilise energia otse koherentseks kiirgusenergiaks. Seetõttu võib vabade elektronide lasergeneraatori töömaterjaliks pidada ka vabu elektrone. Sellel on rida suurepäraseid omadusi, nagu suur võimsus, kõrge efektiivsus, lai lainepikkuste häälestamise vahemik ja ülilühikeste impulsside ajaline struktuur. Peale selle pole ühtegi teist lasergeneraatorit, millel oleks need omadused samaaegselt. Sellel on märkimisväärsed väljavaated füüsikauuringute, laserrelvade, laserfusiooni, fotokeemia ja optilise side valdkonnas.
