Caratteristiche e applicazioni di vari laser

La tecnologia laser è entrata nella vita delle persone sotto tutti gli aspetti, ma ne esistono di molti tipiLaser, ciascuno con lunghezze d'onda e caratteristiche diverse, quindi diversi sono anche i campi di applicazione.

In base al mezzo di lavoro, i laser si dividono in sei tipi: laser solidi, laser a gas, laser a coloranti, laser a semiconduttore, laser a fibra e laser a elettroni liberi. Tra questi, i laser solidi e i laser a gas hanno molte suddivisioni. Fatta eccezione per i laser a elettroni liberi, i principi di funzionamento di base di vari laser sono gli stessi, comprese tre parti: sorgente della pompa, cavità risonante ottica e mezzo di guadagno.

Laser solidi, la luce viene generalmente utilizzata come sorgente della pompa e il cristallo o il vetro che può generare il laser è chiamato materiale di lavorazione del laser. Il materiale di lavorazione del laser è costituito da due parti: matrice e ioni di attivazione. Il materiale della matrice fornisce un'esistenza e un ambiente di lavoro adeguati per gli ioni di attivazione e gli ioni di attivazione completano il processo di generazione del laser. Gli ioni di attivazione comunemente utilizzati sono principalmente ioni di metalli di transizione, come cromo, cobalto, ioni di nichel e ioni di metalli delle terre rare, come gli ioni di neodimio. Il riflettore con una pellicola dielettrica sulla superficie viene utilizzato come lente a cavità risonante, una delle quali è un riflettore completo e l'altra è un mezzo riflettore. Quando per l'eccitazione vengono utilizzati diversi ioni di attivazione, diversi materiali della matrice e diverse lunghezze d'onda della luce, verranno emessi laser di varie lunghezze d'onda.

1. Laser a rubino
La lunghezza d'onda del laser in uscita è 694,3 nm e il tasso di conversione fotoelettrica è basso, solo 0,1%. Tuttavia, la sua durata di fluorescenza è lunga, il che favorisce l'accumulo di energia e può emettere una maggiore potenza di picco dell'impulso. Il laser generato da una bacchetta di rubino sottile come il nucleo di una penna e lunga quanto un dito può facilmente penetrare nella lamiera di ferro. Prima della comparsa dei laser YAG più efficienti, i laser a rubino erano ampiamente utilizzati nel taglio e nella perforazione laser. Inoltre, la luce a 694 nm viene facilmente assorbita dalla melanina, quindi i laser a rubino vengono utilizzati anche per trattare le lesioni pigmentate (macchie cutanee).
2. Laser allo zaffiro e titanio
Grazie alle sue proprietà cristalline, ha un ampio intervallo sintonizzabile (ovvero, intervallo di lunghezze d'onda regolabili) e può emettere luce con una lunghezza d'onda di 660 nm-1200 nm secondo necessità. Con la maturità della tecnologia di raddoppio della frequenza (che può raddoppiare la frequenza della luce, ovvero dimezzare la lunghezza d'onda), la gamma di lunghezze d'onda può essere estesa a 330 nm-600 nm. I laser allo zaffiro al titanio vengono utilizzati per la spettroscopia al femtosecondo, la ricerca ottica non lineare, la generazione di luce bianca, la generazione di onde terahertz, ecc. E sono utilizzati anche nella bellezza medica.
3. Laser Nd: YAG
YAG è l'abbreviazione di granato di ittrio e alluminio. Questo materiale è la matrice di cristallo del laser con le migliori caratteristiche complete attualmente. Dopo essere stato drogato con neodimio (Nd), può emettere luce a 1064 nm e la potenza di uscita continua massima può raggiungere 1000 W. Inizialmente, come sorgente di pompaggio dei laser venivano utilizzate lampade flash a gas inerte, ma il metodo di pompaggio con lampade flash ha un ampio intervallo spettrale, una scarsa sovrapposizione con lo spettro di assorbimento del mezzo di guadagno del laser e un elevato carico termico, con conseguente bassa efficienza di conversione fotoelettrica. Pertanto, il pompaggio LD (diodo laser) viene ora utilizzato per ottenere alta efficienza, alta potenza e lunga durata del laser. I laser Nd: YAG possono essere utilizzati per trattare gli emangiomi e inibire la crescita del tumore. Tuttavia, questo laser provoca danni termici non selettivi ai tessuti. Durante la coagulazione dei vasi sanguigni del tumore, l'energia in eccesso danneggerà anche i tessuti normali circostanti ed è probabile che rimangano cicatrici dopo l'intervento chirurgico. Pertanto, i laser Nd: YAG sono utilizzati principalmente in chirurgia, ginecologia e ORL, ma raramente in dermatologia.
4.Yb:laser YAG
Yb:YAG, YAG è drogato con itterbio (Yb), che può emettere luce a 1030 nm. La lunghezza d'onda della pompa di Yb:YAG è 941 nm, che è molto vicina alla lunghezza d'onda di uscita e può raggiungere un'efficienza quantica della pompa del 91,4%. Il calore generato dalla pompa viene soppresso a meno del 10% (la maggior parte dell'energia in ingresso viene convertita nell'energia del laser in uscita e una piccola parte diventa calore, il che significa che l'efficienza di conversione è molto elevata), ovvero 25 % al 30% di Nd:YAG. Yb:YAG è diventato uno dei supporti laser solidi più accattivanti. I laser solidi Yb:YAG ad alta potenza pompati LD sono diventati un nuovo punto caldo della ricerca e sono considerati una direzione importante per lo sviluppo di laser solidi ad alta efficienza e ad alta potenza.

Oltre ai due tipi precedenti, YAG può anche essere drogato con olmio (Ho), erbio (Er), ecc. Ho:YAG può produrre laser da 2097 nm e 2091 nm sicuri per gli occhi umani, adatti principalmente per comunicazioni ottiche, radar e applicazioni mediche. Er:YAG emette una luce di 2,9 μm e il corpo umano ha un elevato tasso di assorbimento per questa lunghezza d'onda, quindi ha un grande potenziale di applicazione nella chirurgia laser e nella chirurgia vascolare.

Laser a gassono laser che utilizzano il gas come mezzo di guadagno, generalmente pompando una scarica di gas (simili ai laser a stato solido, quindi non entrerò nei dettagli). I tipi di gas includono gas atomici (laser elio-neon, laser a ioni di gas nobile, laser a vapori metallici), gas molecolari (laser ad azoto, laser ad anidride carbonica), gas ad eccimeri e laser a gas speciali che forniscono energia di pompaggio attraverso reazioni chimiche.

1. Laser He-Ne
Il laser HeNe (HeNe) utilizza un gas misto contenente più del 75% di He e meno del 15% di Ne come mezzo di guadagno. A seconda dell'ambiente di lavoro, può emettere luce verde (543,5 nm), gialla (594,1 nm), arancione (612,0 nm), rossa (632,8 nm) e tre luci nel vicino infrarosso (1152 nm, 1523 nm e 3391 nm ), di cui la luce rossa (632,8 nm) è quella più comunemente utilizzata. Il raggio emesso dal laser HeNe ha una distribuzione gaussiana e la qualità del raggio è molto stabile. Sebbene la potenza non sia elevata, ha buone prestazioni nel campo della misurazione di precisione.

2. Laser a gas inerte
I laser a gas inerte più comuni sono gli ioni argon (Ar+) e gli ioni kripton (Kr+). Il suo tasso di conversione dell'energia può raggiungere il 0,6% e può produrre 30-50w di potenza in modo continuo e stabile per lungo tempo, con una durata di oltre 1000 ore. Viene utilizzato principalmente in campi di ricerca come display laser, spettroscopia Raman, olografia, ottica non lineare, nonché diagnosi medica, separazione dei colori di stampa, metrologia, lavorazione dei materiali ed elaborazione delle informazioni.

3. Laser a vapori metallici
I laser a vapori metallici prendono come esempio il vapore di rame. I laser ai vapori di rame emettono principalmente luce verde (510,5 nm) e luce gialla (578,2 nm), che possono raggiungere una potenza media di 100 W e una potenza di picco di 100 kW. La sua principale area di applicazione è la sorgente a pompa dei laser a coloranti. Inoltre, può essere utilizzato anche per la fotografia con flash ad alta velocità, televisori a proiezione su grande schermo e lavorazione dei materiali.

4. Laser molecolare all'azoto
Il laser molecolare ad azoto utilizza l'azoto come mezzo di guadagno e può emettere luce ultravioletta di 337,1 nm, 357,7 nm e 315,9 nm, con una potenza di picco fino a 45 kW. Può essere utilizzato come sorgente luminosa a pompa per laser a coloranti organici ed è anche ampiamente utilizzato nella separazione laser di isotopi, nella diagnosi della fluorescenza, nella fotografia ad altissima velocità, nel rilevamento dell'inquinamento, nell'assistenza medica, nell'allevamento agricolo e in altri aspetti. Poiché la sua lunghezza d'onda corta facilita la messa a fuoco per ottenere un piccolo punto, può essere utilizzato anche per elaborare componenti submicrometrici.

5. Laser ad anidride carbonica
Il mezzo di guadagno utilizzato nei laser ad anidride carbonica è l'anidride carbonica miscelata con elio e azoto, che può emettere luce nel lontano infrarosso centrata sulle lunghezze d'onda di 9,6μm e 10,6μm. Il tasso di conversione dell'energia dei laser ad anidride carbonica è elevato e la potenza di uscita può variare da pochi watt a decine di migliaia di watt. Insieme alla qualità del raggio estremamente elevata, i laser ad anidride carbonica sono ampiamente utilizzati nella lavorazione dei materiali, nella ricerca scientifica, nella difesa nazionale e nella medicina.

6. Eccimerisono molecole instabili Quando una miscela di diversi gas rari e gas alogeni viene riempita nella cavità risonante, vengono generati laser di diverse lunghezze d'onda. Per ottenere l'eccitazione vengono comunemente utilizzati fasci di elettroni relativistici (energia superiore a 200 kiloelettronvolt) o scariche trasversali a impulsi rapidi. Quando i legami molecolari instabili degli eccimeri eccitati si rompono e si dissociano negli atomi dello stato fondamentale, l'energia dello stato eccitato viene rilasciata sotto forma di radiazione laser. È ampiamente utilizzato in medicina, comunicazioni ottiche, display a semiconduttori, telerilevamento, armi laser e altri campi.

Laser chimicisono un tipo speciale di laser a gas, cioè laser che utilizzano l'energia rilasciata dalle reazioni chimiche per ottenere l'inversione di popolazione. La maggior parte di questi laser funzionano in modalità di transizione molecolare, con un tipico intervallo di lunghezze d'onda dal vicino infrarosso al medio infrarosso. I dispositivi più importanti sono il fluoruro di idrogeno (HF) e il fluoruro di deuterio (DF). Il primo può emettere più di 15 linee spettrali tra 2,6 e 3,3 micron; quest'ultimo presenta circa 25 righe spettrali comprese tra 3,5 e 4,2 micron. Entrambi i dispositivi possono attualmente raggiungere una potenza di diversi megawatt. A causa della loro enorme energia, vengono generalmente utilizzati nell'ingegneria nucleare e nei campi militari.

Laser a colorantesono laser che utilizzano coloranti organici come supporto laser, solitamente una soluzione liquida. Rispetto ai mezzi laser gassosi e solidi, i laser a coloranti possono generalmente essere utilizzati in una gamma di lunghezze d'onda più ampia. Grazie alla loro ampia larghezza di banda sono particolarmente adatti per laser accordabili e laser pulsati. Tuttavia, a causa della loro vita media breve e della potenza di uscita limitata, sono stati sostanzialmente sostituiti da laser solidi regolabili in lunghezza d'onda come lo zaffiro al titanio.

Laser a semiconduttoresono laser che utilizzano materiali semiconduttori come materiali di lavoro. I metodi di eccitazione includono l'iniezione elettrica, l'eccitazione del fascio di elettroni e il pompaggio ottico. Sono di piccole dimensioni, a basso prezzo, ad alta efficienza, lunga durata e basso consumo energetico. Possono essere utilizzati nell'informazione elettronica, nella stampa laser, nelle penne laser, nelle comunicazioni ottiche, nei televisori laser, nei piccoli proiettori laser, nell'informazione elettronica, nell'ottica integrata e in altri campi. Sono il tipo di laser più pratico e importante.

Laser a fibrasi riferisce a un laser che utilizza fibra di vetro drogata con terre rare come mezzo di guadagno. Ha una vasta gamma di applicazioni, tra cui comunicazioni laser in fibra, comunicazioni spaziali laser a lunga distanza, costruzione navale industriale, produzione automobilistica, incisione laser, marcatura laser, taglio laser, produzione di rulli da stampa, perforazione/taglio/saldatura di metalli e non metalli ( saldatura dell'ottone, tempra, rivestimento e saldatura profonda), sicurezza della difesa militare, attrezzature e strumenti medici, infrastrutture su larga scala, come fonte di pompaggio per altri laser, ecc.

Laser a elettroni liberiè un nuovo tipo di sorgente di radiazione coerente ad alta potenza diversa dai laser tradizionali. Non necessita di gas, liquidi o solidi come materiale di lavoro, ma converte direttamente l'energia cinetica del fascio di elettroni ad alta energia in energia di radiazione coerente. Pertanto, si può anche considerare che il materiale di lavoro del laser a elettroni liberi siano gli elettroni liberi. Ha una serie di caratteristiche eccellenti come alta potenza, alta efficienza, ampia gamma di sintonizzazione della lunghezza d'onda e struttura temporale dell'impulso ultracorto. A parte lui, nessun altro laser può avere queste caratteristiche contemporaneamente. Ha prospettive molto promettenti nei campi della ricerca fisica, delle armi laser, della fusione laser, della fotochimica, delle comunicazioni ottiche, ecc.

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