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Einführung in die Lasertheorie, Klassifikation und Anwendung

Anzahl Durchsuchen:2     Autor:Site Editor     veröffentlichen Zeit: 2019-09-18      Herkunft:Powered

Laser - Geräte, die Laser aussenden.

Der erste Mikrowellenquantenverstärker wurde 1954 hergestellt, und der Mikrowellenstrahl war hochkohärent.

1958 haben A.L. scholl und C.H. Tune wendete das Prinzip der Mikrowellenquantenverstärker auf den Bereich der Lichtfrequenzen an. 1960 wurde T.H. Maiman et al. machte den ersten Rubinlaser.

Im Jahr 1961 a. jarvin et al. machte einen he-ne Laser.

Im Jahr 1962, R.N. hall et al. schuf Galliumarsenid-Halbleiterlaser.

In Zukunft wird es immer mehr Arten von Lasern geben.

Je nach Arbeitsmedium kann der Laser in vier Kategorien unterteilt werden: Gaslaser, Festkörperlaser, Halbleiterlaser und Farbstofflaser.

Kürzlich wurden freie Elektronenlaser entwickelt. Hochleistungslaser werden normalerweise gepulst.

I. Prinzip:

Alle Arten von Lasern haben die gleichen grundlegenden Funktionsprinzipien mit Ausnahme des Freie-Elektronen-Lasers. Die wesentliche Bedingung für die Herstellung eines Lasers ist die Inversion der Partikelanzahl und der Gewinn gegenüber dem Verlust. Daher besteht die unverzichtbare Komponente des Geräts aus zwei Teilen: Anregungsquelle (oder Pumpquelle) und Arbeitsmedium mit metastabilem Energieniveau.

Anregung ist die Anregung des Arbeitsmediums nach Absorption von Fremdenergie in den angeregten Zustand, um die Umkehrbedingungen der Teilchenzahl zu erreichen und aufrechtzuerhalten.

Es gibt optische, elektrische, chemische und nukleare Anreize.

Das substabile Energieniveau des Arbeitsmediums macht die stimulierte Strahlung dominant und realisiert so die optische Verstärkung.

Die gemeinsamen Komponenten eines Lasers umfassen einen Resonanzhohlraum, aber der Hohlraum (siehe den optischen Hohlraum) ist keine wesentliche Komponente. Der Hohlraum ermöglicht es den Photonen im Hohlraum, eine gleichbleibende Frequenz, Phase und Betriebsrichtung zu haben, wodurch dem Laser eine gute Richtwirkung und Kohärenz verliehen wird.

Darüber hinaus kann es die Länge des Arbeitsmaterials verkürzen und den Modus des erzeugten Lasers einstellen, indem die Länge des Hohlraums geändert wird (d. H. Modusauswahl). Daher haben die meisten Laser einen Resonanzhohlraum.

Laserarbeitssubstanz

Der Begriff bezieht sich auf das Substanzsystem, das verwendet wird, um die Umkehrung der Partikelanzahl zu realisieren und Licht durch stimulierte Strahlungsverstärkung zu erzeugen, manchmal auch als Laserverstärkungsmedium bezeichnet. Sie können fest (Kristall, Glas), gasförmig (Atomgas, Ionengas, molekulares Gas) sein. Halbleiter und flüssiges Medium.

Die Hauptanforderung an das Laserarbeitsmaterial besteht darin, einen hohen Grad an Partikelzahlinversion zwischen den spezifischen Energieniveaus der Arbeitsteilchen zu erreichen und die Inversion während des gesamten Prozesses der Laseremission so effektiv wie möglich zu halten.

Daher ist es erforderlich, dass der Arbeitsstoff die richtige Energieniveaustruktur und Übergangseigenschaften aufweist.

3. Pumpsystem der Erregung

Bedeutet einen Mechanismus oder eine Vorrichtung, die Energie für eine laserarbeitende Substanz liefert, um eine Umkehrung der Partikelanzahl zu realisieren und aufrechtzuerhalten.

Abhängig von der Arbeitssubstanz und den Betriebsbedingungen des Lasers können unterschiedliche Anregungsmethoden und -vorrichtungen angewendet werden.

Optische Betätigung (Lichtpumpe).

Die gesamte Anregungsvorrichtung besteht normalerweise aus Gasentladungslichtquellen (wie Xenonlampe, Kryptonlampe) und Konzentrator. Diese Anregungsmethode wird auch als Lampenpumpe bezeichnet.

, Gasentladungsanregung.

Die gesamte Anregungsvorrichtung besteht üblicherweise aus der Entladungselektrode und der Entladungsstromversorgung.

Chemie.

Die Inversion der Partikelanzahl wird durch Verwendung des in der Arbeitssubstanz ablaufenden chemischen Reaktionsprozesses erreicht, der üblicherweise geeignete chemische Reaktanten und entsprechende Initiierungsmaßnahmen erfordert.

Kernenergie.

Spaltfragmente, hochenergetische Partikel oder Strahlung, die durch kleine Kernspaltungsreaktionen erzeugt werden, werden verwendet, um das Arbeitsmaterial anzuregen und eine Umkehrung der Partikelanzahl zu realisieren.

Optischer Hohlraum

Es besteht normalerweise aus zwei Spiegeln mit bestimmten geometrischen und optischen Eigenschaften.

Der Effekt besteht darin, eine optische Rückkopplung bereitzustellen, so dass angeregte Strahlungsphotonen viele Male in dem Hohlraum hin und her wandern, um kohärente kontinuierliche Schwingungen zu bilden.

Die Richtung und Frequenz der oszillierenden Strahlen in dem Hohlraum sind begrenzt, um sicherzustellen, dass der Ausgangslaser gerichtet und monochromatisch ist.

Der Hohlraumeffekt wird durch die geometrische Form (Krümmungsradius der reflektierenden Oberfläche) und die relative Kombination der beiden Spiegel bestimmt, die normalerweise den Hohlraum bilden.

Die Kräfte werden durch die selektiven Verlustcharakteristika verschiedener Bewegungsrichtungen und verschiedener Lichtfrequenzen in einem gegebenen Hohlraumtyp bestimmt.

Es gibt viele Arten von Lasern.

Im folgenden Teil wird die Klassifizierung von Laserarbeitssubstanz, Anregungsmodus, Betriebsmodus und Ausgangswellenlängenbereich vorgestellt.

Arbeitssubstanz

Alle Laser können nach den verschiedenen physikalischen Zuständen der Arbeitssubstanz in folgende Kategorien eingeteilt werden: der Rest Festlaser (Kristall und Glas).

Der gasförmige Laser ist ein Gas und kann gemäß den unterschiedlichen Eigenschaften der Arbeitsteilchen im Gas, die tatsächlich eine stimulierte Emission erzeugen, weiter in Atomgaslaser, Ionengaslaser, Molekulargaslaser und Excimergaslaser unterteilt werden.

Die von dieser Art von Laser verwendeten Arbeitssubstanzen umfassen organische Fluoreszenzfarbstofflösung und anorganische Verbindungslösung, die Seltenerdmetallionen enthält, wobei Metallionen (wie Nd) als Arbeitsteilchen und anorganische Verbindungsflüssigkeiten (wie SeOCl2) als Substrat wirken.

(4) Halbleiterlaser, der Laser ist eine Halbleitermaterialrolle als Arbeitssubstanz, die durch stimulierte Strahlungsemission erzeugt wird, deren Prinzip durch bestimmte Anreize (elektrische Injektionspumpe, Licht- oder Hochenergie-Elektronenstrahlinjektion) zwischen der Bandlücke von erzeugt wird Halbleitermaterial oder zwischen Band und Verunreinigungsgrad wird durch Stimulierung des Trägers und des Gleichgewichts der Populationsinversion die Rolle des Lichts durch stimulierte Strahlungsemission erzeugt;

(5) Freie Elektronenlaser, dies ist ein spezieller Typ eines neuen Lasertyps, Arbeitsmaterial für periodische Änderungen im Raum der Hochgeschwindigkeitsbewegung im gerichteten freien Elektronenstrahl mit Magnetfeldrichtung, solange sich die Geschwindigkeit des Wechsels des freien Elektronenstrahls ändert kann abstimmbare kohärente elektromagnetische Strahlung erzeugen, im Prinzip kann das kohärente Strahlungsspektrum von Röntgenwellenlängen in den Mikrowellenbereich übergehen, was sehr verlockend ist.

Vi. Anreize

Lichtpumpenlaser.

Bezieht sich auf Laser, die vom Licht gepumpt werden, einschließlich fast aller Fest- und Flüssiglaser sowie einiger Gas- und Halbleiterlaser.

Ein elektrisch angeregter Laser.

Die meisten Gaslaser werden durch Gasentladung (Gleichstromentladung, Wechselstromentladung, Impulsentladung, Elektronenstrahlinjektion) angeregt, während die meisten gängigen Halbleiterlaser durch Sperrschichtstrominjektion erregt werden. Einige Halbleiterlaser können auch durch energiereiche Elektronenstrahlinjektion angeregt werden.

Chemische Laser.

Dies ist ein Laser, der die durch chemische Reaktionen freigesetzte Energie nutzt, um das Arbeitsmaterial anzuregen. Die chemischen Reaktionen können durch Licht ausgelöst, entladen oder chemisch ausgelöst werden.

Ist der Kernpumpenlaser.

Eine Art spezieller Laser wie ein kerngepumpter Helium-Argon-Laser, der die durch eine kleine Kernspaltungsreaktion freigesetzte Energie zur Anregung des Arbeitsmaterials nutzt.

Vii. Betriebsmodus

Aufgrund unterschiedlicher Arbeitsmaterialien, Anregungsmodi und Anwendungszwecke unterscheiden sich Betriebsmodus und Arbeitszustand des Lasers, was in die folgenden Haupttypen unterteilt werden kann.

Der kontinuierliche Laser zeichnet sich durch die Anregung der Arbeitssubstanz und die entsprechende Laserleistung aus, die über einen langen Zeitraum kontinuierlich durchgeführt werden kann. Der durch die kontinuierliche Lichtquelle angeregte Festkörperlaser und der durch die kontinuierliche elektrische Anregung betriebene Gaslaser und Halbleiterlaser sind von dieser Art.

Aufgrund des unvermeidlichen Überhitzungseffekts von Geräten im Dauerbetrieb müssen die meisten von ihnen geeignete Kühlmaßnahmen ergreifen.

(2) Ein Einzelpulslaser, für diesen Lasertyp, Materialanreize und entsprechende Laseremission, ab dem Zeitpunkt, an dem alles ein Prozess eines Einzelpulses ist, übernehmen der allgemeine Festkörperlaser, der Flüssiglaser sowie einige spezielle Gaslaser Auf diese Weise kann der Heizeffekt des Geräts zu diesem Zeitpunkt ignoriert werden, sodass keine besonderen Kühlmaßnahmen ergriffen werden können.

(3) Wiederholungspulslaser, solche Vorrichtungen sind dadurch gekennzeichnet, dass ihre Ausgabe eine Reihe von Wiederholungslaserimpulsen ist, daher kann die Vorrichtung geeignete Anreize in Form von Wiederholungsimpulsen oder Motivation auf der Basis eines kontinuierlichen Modulationslaseroszillationsprozesses sein, jedoch in Um einen wiederholten Pulslaserausgang zu erhalten, müssen in der Regel auch wirksame Kühlmaßnahmen für das Gerät ergriffen werden.

(4) Der Laser, der sich speziell auf die Einführung einer bestimmten Schaltertechnologie bezieht, um eine hohe Leistung des gepulsten Lasers zu erzielen, sein Arbeitsprinzip befindet sich im Arbeitszustand der Populationsinversionsmaterie und schafft es nicht nach der Bildung von Laserschwingungen ( Schalter ist geschlossen), nachdem darauf gewartet wurde, dass sich Partikel auf einem ausreichend hohen Niveau ansammeln, bildet ein plötzlicher sofortiger Schalter, der in relativ kurzer Zeit (z. B. 10 bis 10 Sekunden) eine sehr starke Laserschwingung und einen Hochleistungsimpulslaser bilden kann Ausgabe (siehe '\"class = link> Lasertechnologie).

(5) Modengekoppelte Laser, bei denen es sich um eine Art Laser-Verriegelungstechnologie vom Spezialtyp handelt, deren Arbeit durch den Resonanzhohlraum charakteristisch ist und eine bestimmte Phasenbeziehung zwischen verschiedenen Längsmoden aufweist, können daher eine Reihe von Ansichten mit gleichem Abstand erhalten im Zeit-Ultrakurzpulslaser, Pulsbreite 10 bis 10 Sekunden) Sequenzen, falls weiter spezielle spezielle optische Schaltertechnologie angewendet wird, aus der Auswahl der Einzelpulssequenz von Ultrakurzlaserpulsen (siehe modengekoppelte Lasertechnologie).

6 Singlemode und die Laserfrequenzstabilisierung bezieht sich der Singlemode-Laser auf die Annahme einer bestimmten Grenze, nachdem sich die Formtechnologie in einem Zustand des Single-Transversal-Mode- oder Single-Longitudinal-Mode-Betriebs des Lasers befindet, Laserfrequenz-Stabilisierungsmaßnahmen beziehen sich auf die Annahme von Eine bestimmte automatische Steuerung der Wellenlänge oder Frequenzstabilität des Laserausgangs unter einer bestimmten Genauigkeit im Rahmen der speziellen Laservorrichtungen kann in einigen Fällen auch sowohl in einen Einmodenbetrieb als auch in einen speziellen Laser umgewandelt werden, der zur automatischen Steuerung der Frequenzstabilität fähig ist (siehe die Laserfrequenzstabilisierungstechnologie).

Im Allgemeinen ist die Ausgangswellenlänge eines abstimmbaren Lasers fest, aber die Ausgangswellenlänge einiger Laser kann unter Verwendung einer speziellen Abstimmtechnik in einem kontinuierlichen und steuerbaren Bereich geändert werden. Dieser Lasertyp wird als abstimmbarer Laser bezeichnet (siehe Lasertuning-Technik).

Bandbereich

Je nach Wellenlängenbereich des Ausgangslasers können verschiedene Lasertypen in die folgenden Typen unterteilt werden.

Der Ausgangswellenlängenbereich des Ferninfrarotlasers liegt zwischen 25 und 1000 Mikrometer. Die Laserleistung einiger molekularer Gaslaser und freier Elektronenlaser fällt in diesen Bereich.

Der nir-Laser bezieht sich auf eine Laservorrichtung, deren Ausgangslaserwellenlänge im mittleren Infrarotbereich (2,5 bis 25 Mikrometer) liegt, der durch einen CO-Molekulargaslaser (10,6 Mikrometer) und einen CO-Molekulargaslaser (5 bis 6 Mikrometer) dargestellt wird.

Der passive Nahinfrarotlaser ist eine Laservorrichtung, deren Ausgangslaserwellenlänge im nahen Infrarotbereich (0,75 bis 2,5 Mikrometer) liegt, dargestellt durch einen mit Neodym dotierten Festkörperlaser (1,06 Mikrometer), einen CaAs-Halbleiterdiodenlaser (etwa 0,8 Mikrometer) und einige Gaslaser.

(4) Der sichtbare Laser bezieht sich auf die Wellenlänge des Ausgangslasers im sichtbaren Spektralbereich (4000 ~ 7000 oder 0,4 ~ 0,7 Mikrometer) der Laservorrichtung, Vertreter für den Rubinlaser (6943), den He-Ne-Laser (6328), Argon Ionenlaser (4880, 5145), Kryptonionenlaser (4762, 5208, 5682, 6471) und einige der abstimmbaren Farbstofflaser usw.

Der Nah-Ultraviolett-Laser, dessen Wellenlängenbereich des Ausgangslasers im Nah-Ultraviolett-Spektrum (2000-4000 Angström) liegt, wird durch einen Fluor-Xenon (XeF) -Excimerlaser (3511 Angström, 3531 Angström) mit einem molekularen Stickstofflaser (3371 Angström) dargestellt. , Kryptonfluorid (KrF) -Excimerlaser (2490 Angström) und einige abstimmbare Farbstofflaser.

Der Wellenlängenbereich des Ausgangslasers liegt im Bereich des Vakuum-Ultraviolettspektrums (50 bis 2000 Angström), dargestellt durch (H) -Molekularlaser (1644 bis 1098 Angström), Xenon (Xe) -Excimerlaser (1730 Angström) usw.

Weiche Röntgenstrahlen wurden entwickelt, befinden sich jedoch noch im Erkundungsstadium.

Ix. Hauptzwecke

Laser ist eine der wesentlichen Kernkomponenten eines modernen Laserbearbeitungssystems.

Mit der Entwicklung der Laserbearbeitungstechnologie hat sich der Laser weiterentwickelt und es sind viele neue Laser erschienen.

Die frühen Laserbearbeitungslaser sind Hochleistungs-CO2-Gaslaser und lichtgepumpte feste YAG-Laser.

Aus der Entwicklungsgeschichte der Laserbearbeitungstechnologie entstand Mitte der 1970er Jahre der erste Laser mit versiegelter CO2-Laserröhre. Bisher ist der diffusionsgekühlte CO2-Laser der fünften Generation auf den Markt gekommen.

Aus der Entwicklung ist ersichtlich, dass der frühe CO2-Laser zur Entwicklungsrichtung der Verbesserung der Laserleistung neigt. Wenn jedoch die Laserleistung eine bestimmte Anforderung erreicht, wird die Strahlqualität des Lasers ernst genommen und die Entwicklung des Lasers auf die Strahlqualität mit hoher Einstellung übertragen.

Der Diffusionskühllatten-CO2-Laser, der nahe der Beugungsgrenze erscheint, hat eine gute Strahlqualität und ist weit verbreitet, insbesondere im Bereich des Laserschneidens, der von vielen Unternehmen bevorzugt wird.

Im frühen 21. Jahrhundert entstand ein weiterer neuer Typ von Laser - Halbleiterlaser.

Im Vergleich zu herkömmlichen Hochleistungs-CO2- und YAG-Festkörperlasern weist der Halbleiterlaser die offensichtlichen technischen Vorteile auf, wie die Erwähnung von kleinem, geringem Gewicht, hohem Wirkungsgrad, geringem Energieverbrauch, langer Lebensdauer und hoher Metallaufnahme des Halbleiterlasers bei kontinuierlicher Entwicklung der Halbleiterlasertechnologie ist der Halbleiterlaser auf Basis anderer Festkörperlaser wie Faserlaser, Halbleiterpumpen-Festkörperlaser wie Plattenlaserentwicklung ebenfalls sehr schnell.

Unter diesen entwickelten sich schnell entwickelte Faserlaser, insbesondere mit Seltenen Erden dotierte Faserlaser sollten in den Bereichen Faserkommunikation, Fasermessung und Lasermaterialverarbeitung weit verbreitet sein.

Aufgrund seiner herausragenden Eigenschaften wurde der Laser in vielen Bereichen wie Industrie, Landwirtschaft, Präzisionsmessung und -detektion, Kommunikations- und Informationsverarbeitung, medizinische Behandlung und Militär eingesetzt und hat in vielen Bereichen revolutionäre Durchbrüche erzielt.

Beim Militär wurde Laser für Kommunikation, Nachtsicht, Frühwarnung, Reichweite und andere Aspekte verwendet. Eine Vielzahl von Laserwaffen und Laserführungswaffen wurde ebenfalls eingesetzt.

1. Der Laser wird als Wärmequelle verwendet.

Der Laserstrahl ist klein und trägt eine große Menge an Leistung. Das Fokussieren mit einer Linse kann beispielsweise Energie auf einen winzigen Bereich konzentrieren und große Wärmemengen erzeugen.

Zum Beispiel können Menschen die konzentrierte und extrem hohe Energie des Lasers verwenden, um verschiedene Materialien zu verarbeiten und 200 Löcher in eine Nadel zu bohren.

Als Mittel zur Stimulation, Variation, Kauterisierung und Verdampfung biologischer Organismen hat der Laser gute Ergebnisse in der praktischen Anwendung von Medizin und Landwirtschaft erzielt.

2. Laserentfernung.

Als Lichtquelle zur Entfernungsmessung kann der Laser aufgrund seiner guten Richtwirkung, hohen Leistung und hohen Präzision sehr große Entfernungen messen.

3. Laserkommunikation.

In der Kommunikation kann ein optisches Kabel, das einen Laserstrahl zur Übertragung von Signalen verwendet, bis zu 20.000 Kupferdrähte übertragen.

4. Anwendung einer kontrollierten Kernsammlung in der Luft.

Indem der Laser in eine Mischung aus Deuterium und Tritium geschossen wird, gibt er ihnen enorme Energiemengen, erzeugt hohen Druck und hohe Temperaturen, wodurch die beiden Kerne zu Helium und Neutronen verschmelzen und gleichzeitig große Mengen an Strahlungsenergie freisetzen .

Da die Laserenergie gesteuert werden kann, wird der Prozess als kontrollierte Kernfusion bezeichnet.

In Zukunft wird mit der weiteren Forschung und Entwicklung der Lasertechnologie die Leistung des Lasers weiter verbessert und die Kosten weiter gesenkt, aber sein Anwendungsbereich wird weiter erweitert und es wird eine immer größere Rolle spielen.


Die Spezialität befasst sich mit Forschung und Entwicklung, Produktion und Vertrieb von Faser- und CO2-Laserschneidgeräten.

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