ما هو مرنان الليزر؟

الوقت المقدر للقراءة: 37 دقيقة

تسمى الأداة التي تنتج ضوء مصدر الليزر مرنان الليزر ، والذي يتضمن ليزر الغاز ، الليزر السائل ، ليزر الحالة الصلبة ، جهاز بصري أشباه الموصلات ، وأشعة الليزر الأخرى. من بينها ، أكثر أنواع الليزر شيوعًا هي ثاني أكسيد الكربون₂ ليزر الغاز ، وأشباه الموصلات ، وليزر الحالة الصلبة YAG ، وليزر الألياف.

التكوين الأساسي وتطوير الليزر

التركيب الأساسي لليزر

على الرغم من وجود العديد من أنواع الليزر ، إلا أنها جميعًا تنتج أشعة الليزر من خلال الإثارة والإشعاع المحفز. لذلك ، فإن التركيب الأساسي لليزر ثابت ، وعادة ما يتكون من مواد العمل (أي ، وسائط العمل التي يمكن أن تنتج انعكاسًا للسكان بعد الإثارة) ، ومصادر الإثارة (الطاقة التي يمكن أن تجعل المادة العاملة تقلب عدد الجسيمات ، أيضًا المعروف باسم مصدر المضخة) ويتكون تجويف الرنين البصري من ثلاثة أجزاء.

مادة العمل

يجب أن يختار إنتاج الليزر مادة عمل مناسبة ، والتي يمكن أن تكون غازية أو سائلة أو صلبة أو شبه موصلة. في هذا الوسط ، يمكن عكس عدد الجسيمات لتهيئة الظروف اللازمة للحصول على ضوء الليزر. إن وجود مستويات الطاقة غير المستقرة مفيد جدًا في تحقيق انعكاس السكان. هناك ما يقرب من ألف نوع من مواد العمل وأطوال موجات الليزر التي يمكن إنشاؤها تغطي نطاقًا واسعًا من نطاقات الأشعة فوق البنفسجية الفراغية لنطاقات الأشعة تحت الحمراء البعيدة.

مصدر الإثارة

من أجل عكس عدد الجسيمات في المادة العاملة ، يجب اعتماد طريقة معينة لإثارة نظام الجسيمات وزيادة عدد الجسيمات عند مستويات طاقة عالية. يمكن أن تستخدم طريقة تفريغ الغاز الإلكترونات ذات الطاقة الحركية لإثارة مادة العمل ، والتي تسمى الإثارة الكهربائية ؛ يمكن أيضًا استخدام مصدر الضوء النبضي لإشعاع مادة العمل لإنتاج الإثارة ، والتي تسمى الإثارة البصرية ؛ هناك إثارة حرارية وإثارة كيميائية وما إلى ذلك. طرق التحفيز المختلفة تسمى بشكل واضح الضخ أو الضخ. من أجل الحصول على إخراج الليزر بشكل مستمر ، يجب ضخه باستمرار للحفاظ على عدد الجسيمات في حالة الإثارة.

تجويف بصري

باستخدام مادة العمل المناسبة ومصدر الإثارة ، يمكن تحقيق انعكاس السكان ، لكن شدة الإشعاع المحفز المتولد بهذه الطريقة منخفضة جدًا ولا يمكن تطبيقها. لذلك اعتقد الناس أنه يمكن استخدام تجويف الرنين البصري لتضخيم الإشعاع المحفز. يتكون تجويف الرنين البصري من مرآتين لهما شكل هندسي معين وخصائص انعكاس بصري مجتمعة بطريقة معينة. وظائفها الرئيسية هي كما يلي.

توفير قدرة تغذية مرتدة بصرية لجعل فوتونات الانبعاث المحفزة تتحرك ذهابًا وإيابًا في التجويف عدة مرات لتشكيل تذبذب مستمر متماسك.

تحديد اتجاه وتردد الحزمة المتذبذبة في التجويف للتأكد من أن الليزر الناتج له اتجاهية وأحادية معينة.

تطور الليزر

الليزر هو أحد المكونات الأساسية التي لا غنى عنها في أنظمة المعالجة بالليزر الحديثة. مع تطور تقنية المعالجة بالليزر ، تتقدم أشعة الليزر باستمرار إلى الأمام ، وظهرت العديد من أنواع الليزر الجديدة.

كانت ليزرات معالجة مصدر الليزر المبكرة عبارة عن ثاني أكسيد الكربون عالي الطاقة بشكل أساسي₂والليزر الغازي وليزر الحالة الصلبة YAG الذي يضخ بمصباح. من منظور تاريخ تطور تكنولوجيا المعالجة بالليزر ، فإن ثاني أكسيد الكربون عالي التوج₂ والليزرات التي ظهرت في منتصف السبعينيات طورت ثاني أكسيد الكربون المبرد بالانتشار₂ الليزر. يوضح الجدول 2.1 حالة تطوير ثاني أكسيد الكربون₂ الليزر.

نوع الليزر	نوع مغلق	نوع التدفق المحوري البطيء	عبر نوع التدفق	نوع التدفق المحوري السريع	مروحة توربو تدفق محوري سريع	نوع التبريد بالانتشار SLAB
عمر المظهر	منتصف السبعينيات	أوائل الثمانينيات	منتصف الثمانينيات	أواخر الثمانينيات	أوائل التسعينيات	القرن العشرين منتصف التسعينيات
الطاقة / واط	500	1000	20000	5000	10000	5000
جودة الشعاع (M2 عامل	غير مستقر	1.5	10	5	2.5	1.2
جودة الشعاع (K.F/ مم • مراد)	غير مستقر	5	35	17	9	4.5

أول أكسيد الكربون₂ تميل الليزر إلى التطور في اتجاه زيادة طاقة الليزر ، ولكن عندما وصلت قوة الليزر إلى متطلبات معينة ، تم الاهتمام بجودة شعاع الليزر ، وتحول تطوير الليزر إلى تحسين جودة الحزمة. في الآونة الأخيرة ، تم إنتاج ثاني أكسيد الكربون بالتبريد بالانتشار₂ الليزر ، الذي يقترب من حد الانعراج ، يتمتع بجودة شعاع جيدة ويستخدم على نطاق واسع بمجرد إطلاقه ، خاصة في مجال القطع بالليزر ، ويفضل من قبل العديد من الشركات.

شركة CO₂ مرنان الليزر له عيوب الحجم الكبير والبنية المعقدة والصيانة الصعبة. لا يمكن للمعادن امتصاص الليزر بطول موجة 10.6 ميكرومتر جيدًا ، ولا يمكن استخدام الألياف الضوئية لنقل الليزر ، كما أن البلازما التي يسببها زمن اللحام هي عيوب خطيرة وأوجه قصور أخرى. في وقت لاحق ، يتكون ليزر الحالة الصلبة YAG بطول موجة 1.06 ميكرومتر من أوجه القصور في ثاني أكسيد الكربون₂ الليزر إلى حد ما. تستخدم ليزر الحالة الصلبة في وقت مبكر YAG طرق ضخ المصباح ، والتي واجهت مشاكل مثل كفاءة الليزر المنخفضة (حوالي 3%) وجودة الحزمة الرديئة. مع التقدم المستمر لتكنولوجيا الليزر ، استمرت ليزر الحالة الصلبة YAG في إحراز تقدم ، وظهرت العديد من أنواع الليزر الجديدة. يظهر حالة تطوير ليزر الحالة الصلبة YAG في الجدول 2.2.

نوع الليزر	ضخ المصباح	ضخ الصمام الثنائي	ضخ الألياف	قرص فليك	ضخ نهاية أشباه الموصلات	ليزر الألياف
عمر المظهر	الثمانينيات	أواخر الثمانينيات	منتصف التسعينيات	منتصف التسعينيات	أواخر التسعينيات	أوائل القرن الحادي والعشرين
الطاقة / واط	6000	4400	2000	4000 نموذج أولي）	200	10000
جودة الشعاع (M2 عامل)	70	35	35	7	1.1	70
جودة الشعاع (K.F/ مم • مارد)	25	12	12	2.5	0.35	25

يمكن أن نرى من الجدول 2.1 والجدول 2.2 أنه بالإضافة إلى التحسين المستمر لقوة الليزر ، هناك جانب مهم آخر لتطوير الليزر وهو التحسين المستمر لجودة حزمة الليزر. غالبًا ما تلعب جودة شعاع الليزر دورًا أكثر أهمية في عملية المعالجة بالليزر من طاقة الليزر.

تطور تصنيع الليزر مع الليزر يتم عرض جودة الطاقة والشعاع في الشكل 2.1.

في بداية القرن الحادي والعشرين ، ظهر نوع جديد آخر من ليزر أشباه الموصلات الليزرية. مقارنة مع ثاني أكسيد الكربون التقليدي عالي الطاقة₂ مرنان الليزر وليزر الحالة الصلبة YAG وليزر أشباه الموصلات له مزايا تقنية واضحة ، مثل الحجم الصغير ، والوزن الخفيف ، والكفاءة العالية ، والاستهلاك المنخفض للطاقة ، والعمر الطويل ، ومعدل الامتصاص العالي للمعادن إلى أشعة الليزر شبه الموصلة. مع التطور المستمر لتقنية ليزر أشباه الموصلات ، تطورت ليزرات الحالة الصلبة الأخرى التي تعتمد على ليزر أشباه الموصلات ، مثل الليزرات الليفية ، والليزر ذو الحالة الصلبة المضخوخة بأشباه الموصلات ، والليزر الصفائح ، بشكل سريع. من بينها ، تتطور ليزرات الألياف بسرعة ، خاصة الليزرات الليفية المغطاة بالأرض النادرة ، والتي تستخدم على نطاق واسع في اتصالات الألياف ، واستشعار الألياف ، ومعالجة المواد بالليزر ، وغيرها من المجالات.

من CO₂ ليزر الغاز إلى ألياف الليزر

كو₂ ليزر الغاز

ليزر يستخدم ثاني أكسيد الكربون₂ حيث أن مادة العمل الرئيسية تسمى CO₂ الليزر. كمية صغيرة من N.² ويحتاج إلى إضافته إلى مادة عمله لتحسين الكسب وكفاءة مقاومة الحرارة وطاقة خرج الليزر. كو₂ الليزر له الخصائص التالية.

• طاقة الخرج كبيرة. ثاني أكسيد الكربون العام مغلق الأنبوب₂ يمكن أن يكون لليزر طاقة خرج مستمرة تصل إلى عشرات الواط ، وهي أكثر بكثير من طاقة الليزر الغازية الأخرى. أثار التدفق الجانبي كهربائيًا ثاني أكسيد الكربون₂ يمكن أن ينتج الليزر إنتاج مستمر يصل إلى عشرات الكيلوات.
• كفاءة تحويل عالية للطاقة. كفاءة تحويل الطاقة لثاني أكسيد الكربون₂ يمكن أن تصل أجهزة الليزر إلى 30% ~ 40% ، وهو ما يتجاوز أنواع الليزر الغازية الأخرى.
• شركة CO₂ يستخدم الليزر الانتقال بين مستويات طاقة ثاني أكسيد الكربون₂ الاهتزاز الجزيئي ولها طيف غني نسبيًا. يوجد العشرات من خطوط الطيف في خرج الليزر بالقرب من الطول الموجي 10 ميكرومتر. ثاني أكسيد الكربون عالي الضغط₂ يمكن أن يحقق الليزر الذي تم تطويره في السنوات الأخيرة إخراجًا مضبوطًا بشكل مستمر من 9 إلى 10 ميكرومتر.
• نطاق إخراج CO₂ الليزر هو بالضبط نافذة الغلاف الجوي (أي أن شفافية الغلاف الجوي لهذا الطول الموجي مرتفعة نسبيًا)
• بالإضافة إلى ذلك ، CO₂ تتمتع أجهزة الليزر أيضًا بمزايا جودة الحزمة عالية الإخراج ، والتماسك الجيد ، وعرض الخط الضيق ، والتشغيل المستقر ، وما إلى ذلك ، لذلك تم استخدامها على نطاق واسع في الصناعة والدفاع الوطني.

هيكل شركة CO₂ الليزر

ثاني أكسيد الكربون الطولي النموذجي المغلق المثار كهربائيًا₂ الليزر يتكون الرنان من أنبوب ليزر وأقطاب كهربائية وتجويف طنين (الشكل 2.2). العنصر الأكثر أهمية هو أنبوب الليزر المصنوع من الزجاج الصلب ، والذي يعتمد بشكل عام على هيكل ذو طبقات. الطبقة الأعمق عبارة عن أنبوب تفريغ ، والطبقة الثانية عبارة عن أنبوب غلاف مبرد بالماء ، والطبقة الخارجية عبارة عن أنبوب تخزين غاز.

يقع أنبوب التفريغ في منطقة العمود الموجب لتفريغ الوهج في تفريغ الغاز. هذه المنطقة غنية بالجسيمات الحاملة للطاقة ، مثل الإلكترونات والأيونات والجسيمات غير المستقرة والفوتونات ، وهي منطقة اكتساب الليزر. لهذا السبب ، هناك متطلبات معينة لقطر وطول واستدارة واستقامة أنبوب التفريغ. معظم المعدات التي تقل عن 100 واط مصنوعة من الزجاج الصلب. عادة ما تكون الأجهزة ذات القدرة المتوسطة (100 ~ 500W) مصنوعة من أنابيب زجاجية كوارتز لضمان استقرار الطاقة أو التردد. يبلغ قطر الأنبوب عمومًا حوالي 10 مم ، ويمكن أن يكون طول الأنبوب أكثر سمكًا قليلاً.

توجد سترة ماء بارد بجوار أنبوب التفريغ ، وتتمثل وظيفتها في تقليل درجة حرارة الغاز العامل في الأنبوب ، للتأكد من أن الجهاز يدرك توزيع الانعكاس السكاني ، ولمنع أنبوب التفريغ من التسخين والتشقق أثناء عملية إثارة التفريغ. الغرض من إضافة غلاف مبرد بالماء هو تبريد الهواء والغاز بحيث تظل طاقة الخرج مستقرة. يتم توصيل أنبوب التفريغ بأنبوب تخزين الغاز من كلا الطرفين. يحتوي أحد طرفي أنبوب تخزين الغاز على فتحة صغيرة تتصل بأنبوب التفريغ ، والطرف الآخر متصل بأنبوب التفريغ من خلال أنبوب الإرجاع اللولبي بحيث يمكن للغاز أن يدور في أنبوب التفريغ وأنبوب تخزين الغاز. يمكن تبادل الغاز الموجود في الأنبوب مع الغاز الموجود في أنبوب تخزين الغاز في أي وقت.

تتمثل وظيفة أنبوب تخزين الغاز الخارجي في تقليل التغيير في تكوين غاز العمل والضغط أثناء عملية التفريغ وتعزيز الاستقرار الميكانيكي لأنبوب التفريغ.

أنبوب عودة الهواء عبارة عن أنبوب حلزوني رفيع يربط بين الفراغين للقطب السالب والأنود ، والذي يمكن أن يحسن التوزيع غير المتوازن للضغط بين الأقطاب الكهربائية الناتجة عن ظاهرة الرحلان الكهربائي. قيمة قطر وطول أنبوب الإرجاع مهمان للغاية. فهو لا يمكّن الغاز عند الكاثود من التدفق بسرعة إلى منطقة القطب الموجب لتحقيق توزيع موحد للغاز فحسب ، بل يمنع أيضًا ظاهرة التفريغ في أنبوب الإرجاع.

وتنقسم الأقطاب إلى أنود وكاثود. تتطلب مادة الكاثود القدرة على إصدار إلكترونات ، ومعدل ترشيش منخفض ، والقدرة على تقليل ثاني أكسيد الكربون₂. في الوقت الحاضر ، معظم CO₂ وتستخدم رنانات الليزر أقطابًا من النيكل ، ويتم تحديد منطقة القطب بواسطة القطر الداخلي لأنبوب التفريغ وتيار العمل. يكون الترسيب الكهربائي متحد المحور مع أنبوب التفريغ. يمكن أن يكون حجم الأنود هو نفسه حجم الكاثود ، أو يمكن أن يكون أصغر قليلاً.

يتكون تجويف الرنين من مرآة كاملة ومرآة إخراج. المرايا الانعكاسية الكلية لثاني أكسيد الكربون متوسطة ومنخفضة الطاقة₂ يستخدم مرنان الليزر عمومًا مرايا زجاجية مطلية بالذهب ، لأن الفيلم الذهبي له انعكاسية عالية للضوء تبلغ 10.6 ميكرومتر ومستقر كيميائيًا. ومع ذلك ، فإن المرايا ذات الطبقة السفلية الزجاجية لها موصلية حرارية رديئة ، لذا فإن ثاني أكسيد الكربون عالي الطاقة₂ غالبًا ما تستخدم أشعة الليزر مرايا معدنية ، مثل المرايا النحاسية أو مرايا الموليبدينوم ، أو المرايا المطلية بطبقة من الذهب والعازل الكهربائي على ركيزة نحاسية مصقولة خالية من الأكسجين من الفولاذ المقاوم للصدأ. عادة ما تستخدم المرآة الناتجة مادة يمكنها نقل طول موجة 10.6 ميكرومتر كركيزة ، ويتم طلاء فيلم متعدد الطبقات عليها للتحكم في نفاذية معينة لتحقيق أفضل ناتج اقتران. المواد المستخدمة بشكل شائع هي كلوريد البوتاسيوم ، كلوريد الصوديوم ، الألومنيوم ، الزرنيخ ، سيلينيد الزنك ، تيلوريد الكادميوم ، وما إلى ذلك.

تجويف الرنين لثاني أكسيد الكربون₂ عادة ما يكون الليزر مسطحًا ومقعرًا. المرآة الكلية مصنوعة من الزجاج البصري K8 أو الكوارتز البصري ، والتي تتم معالجتها في مرآة مقعرة بنصف قطر انحناء كبير. سطح المرآة مطلي بفيلم معدني عالي الانعكاس - فيلم مطلي بالذهب بطول موجة 10. 6 ميكرومتر. الانعكاسية في المكان تصل إلى 98.8% ، والخصائص الكيميائية مستقرة.

الضوء المنبعث من ثاني أكسيد الكربون هو ضوء الأشعة تحت الحمراء ، لذلك تحتاج المرايا ذات الانعكاس الكامل إلى استخدام مواد تنقل ضوء الأشعة تحت الحمراء. نظرًا لأن الزجاج البصري العادي ليس شفافًا لضوء الأشعة تحت الحمراء ، فمن الضروري فتح ثقب صغير في وسط المرآة الكلية ، ثم ختم قطعة من مادة الأشعة تحت الحمراء التي يمكنها نقل أشعة ليزر بحجم 10.6 ميكرومتر لإغلاق الغاز ، مما يجعل الليزر يدخل فجوة الرنين المتباعدة هي ناتج من ثقب صغير خارج التجويف لتشكيل شعاع من ضوء الليزر أو سكين الضوء.

تيار التفريغ لثاني أكسيد الكربون المختوم₂ مرنان الليزر صغير نسبيًا. يتم استخدام القطب البارد ، ويتكون الكاثود من ورقة الموليبدينوم أو ورقة النيكل في شكل أسطواني. تيار العمل 30 ~ 40MA ، مساحة أسطوانة الكاثود 500 سم²من أجل عدم تلويث العدسة ، تمت إضافة حاجز ضوئي بين الكاثود والعدسة. المضخة متحمسة من خلال مصدر طاقة مستمر مستمر.

خصائص إخراج ثاني أكسيد الكربون₂ نظام الليزر

كروس فلو كو₂ مرنان ليزر. تدفق الغاز عمودي على محور التجويف. شركة CO₂ يتميز الليزر مع هذا الهيكل بجودة شعاع منخفضة ويستخدم بشكل أساسي في المعالجة السطحية للمواد ، ولا يستخدم بشكل عام في القطع. مقارنة بأول أكسيد الكربون الأخرى₂ الليزر عبر التدفق CO₂ تتمتع أجهزة الليزر بقدرة إنتاج عالية وجودة شعاع منخفضة وأسعار منخفضة.

عبر التدفق CO₂ يمكن لليزر استخدام إثارة التيار المباشر (DC) والإثارة عالية التردد (HF) ، ويتم وضع الأقطاب الكهربائية على جانبي منطقة البلازما بالتوازي مع محور التجويف. إن جهد الاشتعال والتشغيل للبلازما منخفضان ، ويتدفق الغاز عبر منطقة البلازما عموديًا على الحزمة ، ويكون مرور الغاز المتدفق عبر نظام الإلكترود عريضًا جدًا ، وبالتالي فإن مقاومة التدفق صغيرة جدًا ، وتبريد البلازما فعالة جدًا ، وقوة الليزر ليست كبيرة جدًا. قيود كثيرة.

يبلغ طول هذا النوع من الليزر أقل من 1 متر ، ولكن يمكنه توليد 8 كيلو وات من الطاقة. ومع ذلك ، نظرًا للتدفق الجانبي للغاز عبر البلازما ، فإن هذا النوع من الليزر ينفخ البلازما بعيدًا عن دائرة التفريغ الرئيسية ، مما يتسبب في انحراف منطقة البلازما في قسم الحزمة بشكل أو بآخر إلى مثلث ، وجودة الحزمة ليست عالية ، وتظهر أوضاع الترتيب العالي. إذا تم استخدام ثقب دائري للحد من الوضع ، فيمكن تحسين تناظر الحزمة إلى حد معين.

سريع التدفق المحوري CO₂ مرنان ليزر. يظهر الهيكل في الشكل 2.3. تدفق غاز الليزر من هذا النوع من ثاني أكسيد الكربون₂ الليزر على طول محور الرنان. انتاج الطاقة من CO₂ laser with this structure ranges from hundreds of watts to 20KW. The output beam quality is better, and it is the mainstream structure currently used in laser cutting.

سريع التدفق المحوري CO₂ lasers can use direct current (DC) excitation and radio frequency (RF) excitation. The shape of the plasma between the electrodes is a slender column. In order to prevent the plasma from dispersing in the surrounding area, this type of discharge area is often in a hollow cylindrical glass tube or ceramic tube. The plasma can be ignited and maintained at both ends of the two ring electrodes. The ignition and operation voltage depends on the electrode. The maximum voltage used in practical applications is 20~30KV.

The cooling of the circulating gas adopts the form of rapid axial flow. In order to ensure effective heat conduction, Roots blowers or adjustable wheel fans are commonly used to achieve this high-speed flow, but the flow resistance of this geometric shape is relatively high, and the output laser power is subject to certain limitations, such as the laser output of only a few hundred watts of the DC exciter. The output power of the laser is limited, so several axial flow cooling discharge tubes are often connected in the optical form to provide sufficient laser power.

Since the output power of the CO₂ laser resonator mainly depends on the electrical power input per unit volume, the RF excitation is higher than the DC excitation and the plasma density is higher. The RF excitation axial flow laser in which several axial cooling discharge tubes are connected in an optical form, continuous The output power can reach 20KW. Axial CO₂ lasers, due to the axial symmetry of the plasma, are easy to operate in the fundamental mode and produce high beam quality.

Slat-type diffusion cooling CO₂ laser. Diffusion-cooled CO₂ lasers are similar to the early sealed-off CO₂ lasers. The working gas of the sealed-off CO₂ laser is enclosed in a discharge tube and cooled by heat conduction. Although the outer wall of the discharge tube is effectively cooled, the discharge tube can only generate 50W of laser energy per meter, and it is impossible to make a compact, high-energy laser. Diffusion-cooled CO₂ lasers also use gas-enclosed methods, but the lasers are compact structures, the gas discharge excited by radiofrequency occurs between two copper electrodes with a larger area. The electrodes can be cooled by water cooling, and the narrow gap between the two electrodes can dissipate heat from the discharge cavity as much as possible so that a relatively high output power density can be obtained.

The diffusion-cooled CO₂ laser resonator adopts a stable resonant cavity composed of cylindrical mirrors. Since the optically unstable cavity can easily adapt to the geometry of the excited laser gain medium, the slab-type diffusion-cooled CO₂ laser can produce high-power-density laser beams, and the laser beam quality High, but the original output beam of this type of laser is rectangular, and a water-cooled reflected beam shaping device is required to shape the rectangular beam into a circular symmetrical laser beam. At present, the output power range of this type of laser is 1~5KW.

Compared with gas flow CO₂ lasers, slab diffusion cooling CO₂ lasers have the characteristics of compact and sturdy structure and have an outstanding advantage, that is, in practical applications, they do not need to be fresh as gas flow CO₂ lasers. Laser working gas, but a small about 10L cylindrical container is installed in the laser head to store the laser working gas. This can be achieved through an external laser working gas supply device and a water permanent gas tank exchanger. This kind of executive agency has been working for more than one year.

A semiconductor laser

Semiconductor laser refers to a type of laser with semiconductor as its working material. Compared with other lasers, semiconductor lasers have the advantages of small size, high efficiency, simple and robust structure, and direct modulation. Semiconductor lasers have important applications in communications, ranging and information processing.

Semiconductor foundation

Pure semiconductors without impurities are called intrinsic semiconductors. If impurity atoms are doped into intrinsic semiconductors, impurity levels are formed below the conduction band and above the valence band, which are called donor level and acceptor level, respectively. Figure 2.4 shows the impurity levels of Si single crystal semiconductors.

Semiconductor materials are mostly crystalline structures. When a large number of atoms are regularly and tightly combined into a crystal, those valence electrons in the crystal are all in the crystal energy band. When an external electric field is applied, the electrons in the valence band transition to the conduction band, and can move freely in the conduction band to conduct electricity. The loss of an electron in the valence band is equivalent to the appearance of a positively charged hole, which can also conduct electricity under the action of an external electric field. Therefore, the holes in the valence band and the electrons in the conduction band have a conductive effect, which is collectively called carriers.

A semiconductor with a donor level is called an n-type semiconductor; a semiconductor with an acceptor level is called a p-type semiconductor. At room temperature, most of the donor atoms of n-type semiconductors are ionized by thermal energy, and electrons are excited to the conduction band and become free electrons. Most of the acceptor atoms of p-type semiconductors capture electrons in the valence band and form holes in the valence band. Therefore, n-type semiconductors are mainly conducted by electrons in the conduction band; p-type semiconductors are mainly conducted by holes in the valence band.

In a piece of semiconductor material, the sudden change from the p-type region to the n-type region is called the p-n junction. A space charge zone is formed at the interface. The electrons in the conduction band of the n-type semiconductor diffuse to the p region, and the holes in the valence band of the p-type semiconductor diffuse to the n region. The n-type region near the junction region is positively charged because it is a donor, and the p-type region near the junction region is negatively charged because it is an acceptor. At the interface, an electric field directed from the n zone to the p zone is formed, which is called the built-in electric field (or self-built electric field). This electric field prevents the continued diffusion of electrons and holes.

If a forward bias is applied to the semiconductor material that forms the p-n junction, the p area is connected to the positive electrode and the n area is connected to the negative electrode. The electric field of the forward voltage is opposite to the built-in electric field of the p-n junction, which weakens the built-in electric field’s hindrance to the diffusion of electrons in the crystal so that the free electrons in the n-zone are constantly under the action of the forward voltage.

Diffusion to the p region through the p-n junction. When there are a large number of electrons in the conduction band and holes in the valence band at the same time in the junction zone, they recombine in the injection zone. When the electrons in the conduction band transition to the valence band, the excess energy are emitted in the form of light. come out. This is the mechanism of semiconductor electroluminescence, and this spontaneous recombination luminescence is called spontaneous emission.

To make the p-n junction generate laser light, a particle inversion distribution must be formed in the junction area, a heavily doped semiconductor material must be used, and the current injected into the p-n junction must be large enough (such as 30KA/cm²). In this way, in the local area of ​​the p-n junction, a reversed distribution state of more electrons in the conduction band than holes in the valence band can be formed, thereby generating stimulated radiation and emitting laser light.

The optical resonant cavity of a semiconductor laser resonator is composed of a cleavage plane (110 faces) perpendicular to the p-n junction plane. It has a reflectivity of 35%, which is enough to cause laser oscillation. If it is necessary to increase the reflectivity, a layer of SiO₂ can be plated on the crystal surface, and then a layer of metallic silver film can be plated to obtain a reflectivity of more than 95%.

Once a forward bias is applied to the semiconductor laser, the population inversion occurs in the junction area and recombination occurs.

Conditions for semiconductor stimulated emission

Semiconductor lasers work by injecting carriers, and emitting lasers must meet the following three basic conditions.

• It is necessary to produce sufficient population inversion distribution, that is, the number of particles in the high-energy state is sufficiently larger than the number of particles in the low-energy state.
• There is a suitable resonant cavity that can play a feedback role so that the photons of the stimulated radiation are proliferated to produce laser oscillation.
• A certain threshold condition must be met to make the photon gain equal to or greater than the photon loss.

Injection type homojunction semiconductor laser

The injection-type homojunction GaAs semiconductor laser resonator is the first semiconductor laser to be successfully developed. Homogeneous junction refers to a p-n junction composed of p-type and n-type semiconductors of the same matrix material (such as GaAs), and injection type refers to a pumping method that directly energizes the semiconductor laser and injects current to excite the working substance.

Figure 2.5 (a) shows the typical appearance structure of this laser. There is a small window on the tube shell to output the laser, and the electrode at the lower end of the tube is used for the external power supply. Inside the shell is the laser die, as shown in Figure 2.5(b). There are many shapes of the die, Figure 2.5(c) is a schematic diagram of the structure of the mesa-shaped die. The thickness of the p-n junction is only tens of microns. Generally, a thin layer of p-type GaAs is grown on the bottom of the n-type GaAs village to form the p-n junction.

The resonant cavity of the laser generally directly utilizes two end faces perpendicular to the p-n junction. The refractive index of GaAs is 3.6, and the reflectivity of light perpendicular to the end surface is 32%. In order to increase the output power and reduce the operating current, one of the reflective surfaces is generally plated with gold.

Heterojunction semiconductor laser

Studies have shown that it is difficult for homojunction semiconductor lasers to obtain low threshold currents and achieve continuous operation at room temperature. Therefore, people have developed heterojunction lasers on this basis. Heterojunction lasers are also single heterojunction (SH) lasers and double heterojunction (SH) lasers. Mass junction (DH) laser.

Single heterojunction semiconductor laser. Figure 2.6 shows the structure of a single heterojunction laser (GaAs-P-Ga_1-xAl_xAs) and a schematic diagram of the energy band change, refractive index change, and light intensity distribution of each region. It can be seen that after adding the heterogeneous material GaAs-P-Ga_1-xAl_xAs to the P-GaAs side, the interface electron energy barrier makes the electrons injected into P-GaAs from N-GaAs can only be confined in the P zone to recombine and generate photons. Because of the change of refractive index at the interface of P-GaAs and P-Ga_1-xAl_xAs, the photons generated by the recombination in the active area are reflected and confined in the P-GaAs layer.

The confinement effect of the heterojunction on electrons and photons reduces their loss so that the threshold current density of the single heterojunction laser at room temperature is reduced to 8KA/cm².

In a single heterojunction laser source, the heterojunction plays a role in limiting the diffusion of carriers, but it is not used for injection, so the value of x is generally chosen to be relatively large, such as 0.3<x<0.5. In a semiconductor laser resonator, the thickness d of the active region is critical. If d is too large, it will lose the meaning of carrier limitation, and if d is too small, it will increase the loss. In single heterojunction lasers, d≈2чm is generally adopted.

Double heterojunction semiconductor laser source. Liquid phase epitaxy was used to sequentially grow N-Ga_1-xAl_xAs, P-GaAs, P-Ga_1-xAl_xAs, As single crystal thin layers on the N-GaAs village bottom. There are N- Ga_1-xAl_xAs, as layers and P- Ga_1-xAl_xAs as layers on both sides of the active area P-GaAs, forming N-Ga_1-xAl_xAs /P-GaAs and P-GaAs/P-Ga_1-xAl_xAs two heterojunctions of N-Ga_1-xAl_xAs and P-Ga_1-xAl_xAs are shown in Figure 2.7.

Figure 2.8 shows the energy band, refractive index, and light intensity distribution of a double heterojunction laser. The active region P-GaAs is sandwiched between two wide-bandgap Ga_1-xAl_xAs layers. For this structure, due to its symmetry, it is no longer limited to only electron injection. The double-heterojunction structure allows both electron injection and hole injection to be effectively utilized. If the width of the active region is smaller than the diffusion length of carriers, most of the carriers can diffuse to the active region before recombination. When they reach the heterojunction, they are repelled by the potential barrier and stay in the active region. If the thickness d of the active region is much smaller than the diffusion length of the carriers, the carriers will evenly fill the active region. For this kind of laser, recombination occurs almost uniformly in the active region.

Because both sides of the active area are broadband materials, the effective refractive index jumps in the hierarchy, so that the photons are confined in the active area, and the distribution of the light field is also symmetrical. The double heterojunction can effectively limit the carriers and photons, so the threshold current density of the laser is significantly reduced, and the continuous operation of the laser at room temperature is realized.

After the double heterojunction laser achieves continuous operation at room temperature, the outstanding problem is how to improve the life of the device, which can start from solving the problem of active area structure and heat dissipation. With the different requirements, there are multiple structures of double heterojunction lasers, the more typical one is the bar double heterojunction (DH) laser. In GaAs/ Ga_1-xAl_xAs DH lasers, the bandgap of GaAs corresponds to a laser wavelength of about 0.89um. InP/InGaAsP DH lasers cover a range of 0.92~1.65чm. Since the lowest loss of optical fiber is 1.3~1.6чm, InP/InGaAsP DH lasers have important applications for long-distance optical fiber communication systems, while GaAs/ Ga_1-xAl_xAs DH lasers are often used in short-distance optical fiber communication systems.

YAG solid-state laser

The core of the laser emission is the laser working substance (that is, the working substance containing the metastable energy level) in the laser that can realize the population inversion, such as the laser whose working substance is crystalline or glass, which is called crystal laser and glass laser, respectively. Usually, these two types of lasers are collectively referred to as solid-state lasers. Among the lasers, the solid-state laser was the first to develop. This kind of laser has a small size, high output power, and convenient application. There are three main working materials for solid-state lasers; neodymium-doped yttrium aluminum garnet (Nd: YAG), with an output wavelength of 1.06 чm, which is white and blue; neodymium glass, with an output wavelength of 1.06 чm, which is purple-blue; ruby, the output wavelength is 0.694чm, which is red.

YAG lasers are the most common type of solid-state lasers. YAG lasers came out later than ruby ​​and neodymium glass lasers. In 1964, YAG crystals were successfully developed. After several years of hard work, the optical and physical properties of YAG crystal materials have been continuously improved, and the preparation process of large-size YAG crystals has been overcome. By 1971, large-size Nd: YAG crystals with a diameter of 40mm and a length of 200mm were able to be drawn, which provided high-quality crystals at a moderate cost for the development of YAG lasers, and promoted the development of the YAG lasers.

In the 1970s, the development of lasers ushered in an upsurge in the research and application of YAG lasers. Research institutions in many industrially developed countries invested a lot of manpower and financial resources to study how to improve the efficiency, power, and reliability of YAG lasers and solve engineering problems. Some application results have been achieved in the fields of laser ranging, laser radar, laser industrial processing, and laser medical treatment. For example, the YAG Laser Precision Tracking Radar (PATS system) was successfully used in the missile measurement range in 1971 by Silvania Company of the United States. In the 1980s, the research and application of YAG lasers have matured and entered a period of rapid development, becoming the mainstream of the development and application of various lasers.

The structure of YAG laser

Generally speaking, the YAG laser refers to the Nd: YAG laser doped with trivalent Nd³⁺ in the yttrium aluminum garnet (YAG) crystal. It emits a near-infrared laser source of 1.06 чm and is a solid-state laser that can work continuously at room temperature. In the small and medium-power pulsed lasers, Nd: YAG lasers are currently used in quantities far more than other lasers. The single pulse power emitted by this laser can reach 107W or higher, which can process materials at extremely high speeds. YAG lasers have high energy, high peak power, compact structure, firmness and durability, reliable performance, safe processing, simple control, etc. Features, it is widely used in industry, national defense, medical treatment, scientific research, and other fields. Nd: YAG crystal has excellent thermal properties and is very suitable for making continuous and repetitive laser devices.

YAG laser includes YAG laser source rod, xenon lamp, condenser cavity, Q switch, polarizer, total mirror, semi-feedback, etc., the structure is shown in Figure 2.9

The working medium of the YAG micro-optical device is Nd: YAG rod, the sides are roughened, the two ends are ground into a plane, and the antireflection coating is plated. The frequency doubling crystal adopts potassium tetany oxide (KTP) crystal with an anti-reflection coating on both sides. The laser spectroscopy cavity adopts a plano-concave stable cavity, the cavity length is 530mm, and the radius of curvature of the plano-concave total mirror is 2m. Please use high-transmittance and high-reflection quartz lenses for the galvanometer mirror, and the modulation frequency of the Q switch device is adjustable.

The laser resonant cavity is a three-mirror folded cavity with 1.3mm spectral line resonance, including two semiconductor laser pump modules, each module is composed of 20W continuous-wave semiconductor laser arrays (LD) with a center wavelength of 808nm, and the total spectral line width Less than 3nm, the laser crystal is 3mm×75mm Nd: YAG, the doping concentration is 1.0%, and a 1.319nm laser 90° quartz rotator is inserted between the two LD pump modules to compensate for the thermally induced birefringence effect.

The stable areas of the resonant cavity of the radially polarized light and the radially polarized light overlap each other, which is beneficial to increase the output power and improve the beam quality. The acousto-optic Q switch with high diffraction loss is used to generate Q-switched pulse output, and the repetition frequency can be adjusted in the range of 1~50kHz. The designed resonant cavity produces a real focus on the folded arm to increase the power density, which is beneficial to nonlinear frequency conversion.

Plano mirror M₁ is coated with 1319nm, 659. 4nm double high-reflection film system, plano-concave mirror M₂ is an output coupling mirror, and plano-concave mirror M₃ is 1319nm, 659nm, 440nm three-wavelength high-reflection film. Since the 1064nm spectral line intensity of the Nd: YAG crystal is three times that of the 1319nm wavelength, the M₁, M₂, M₃, cavity mirror design requires the transmittance of the 1064nm wavelength to be greater than 60%, which is very important to suppress the 1064nm laser oscillation. of.

In order to reduce the insertion loss in the cavity, all components in the cavity should be coated with an anti-reflection coating. The semiconductor laser does not add any shaping measures or optical imaging components, and the Nd: YAG crystal is pumped from the adjacent 120° directions. By optimizing the pumping parameters, a relatively uniform and Gauss-like gain profile can be obtained. This design is simple, compact, and practical, and can be better matched with the Eigenmode of the resonator, which is beneficial to improve the energy extraction efficiency and beam quality.

Because lithium tribemate (LBO) crystal has a high damage threshold, low absorption of fundamental frequency light, and frequency-doubled light, it can achieve 1319nm double frequency and triple frequency phase matching and has the advantages of suitable effective nonlinear coefficients, so choose two LBO crystals are used as crystals for intracavity frequency doubling and intracavity sum-frequency.

Output characteristics of YAG laser

• Lamp-pumped Nd: YAG laser. The structure is shown in Figure 2.10 and Figure 2.11. The gain medium Nd: YAG is rod-shaped, and it is often placed on the focal line of the double-sugar circle reflection condenser cavity. The two pump lamps are located on the two outer focal lines of the double ellipse, and the cooling water flows between the pump lamp and the laser rod with a glass tube sleeve.
• In high-power lasers, the thermal effect of the laser rod limits the maximum output power of each laser rod. The heat inside the laser rod and the cooling of the surface of the laser rod cause the temperature gradient of the crystal so that the maximum power of the pump must be lower than to cause damage. The stress limit. The effective power range of a single rod Nd: YAG laser is 50~800W. Higher power Nd: YAG lasers can be obtained by connecting Nd: YAG laser rods in series.
• Diode-pumped Nd: YAG laser. The structure of a diode-pumped Nd: YAG laser is shown in Figure 2.12, and a GaAlAs semiconductor laser is used as the pump light source.
• Using a semiconductor laser as the pump source increases the life of the components and eliminates the requirement of regular replacement of the pump lamp when using lamp pumping. The diode-pumped Nd: YAG laser has higher reliability and longer working time.
• The high conversion efficiency of the diode-pumped Nd: YAG laser comes from the good spectral matching between the emission spectrum of the semiconductor laser and the absorption of Nd: YAG. GaAIAs semiconductor laser emits a narrow-band wavelength. By precisely adjusting the Al content, it can emit light at 808nm, which is in the absorption band of Nd³⁺ particles. The electro-optical conversion efficiency of semiconductor lasers is approximately 40%-50%, which is the reason that diode-pumped Nd; YAG lasers can achieve a conversion efficiency of more than 10%. While the lamp is excited to produce white light, the Nd: YAG crystal only absorbs a small part of the spectrum, which leads to its low efficiency.

Fiber laser

Classification of fiber lasers

Fiber lasers are lasers that use optical fibers as the laser source medium. According to the incentive mechanism, it can be divided into the following four categories.

• Rare-earth-doped fiber laser source, through doping different rare-earth ions in the fiber matrix material to obtain the laser output of the required wavelength band.
• Fiber lasers made using the nonlinear effects of fibers, such as stimulated Raman scattering (SRS), etc.
• Single-crystal fiber lasers, including ruby ​​single-crystal fiber lasers, Nd: YAG single product fiber lasers, etc.
• Dye fiber laser, by filling the plastic core or cladding with dye to realize laser output.

Among these types of fiber lasers, fiber lasers and amplifiers doped with rare-earth ions are the most important and have the fastest development. They have been applied in the fields of fiber communication, fiber sensing, and laser material processing, this type of laser.

Waveguide principle of fiber laser

The geometric structure of a single-layer fiber laser source is shown in Figure 2.13. Compared with solid-state lasers source, fiber lasers have at least one free beam path formed in the laser resonator, and beam formation and introduction into fiber lasers are realized in optical waveguides. Generally, these optical waveguides are based on rare-earth-doped optoelectronic dielectric materials. For example, silicon, phosphate glass, and fluoride glass materials show an attenuation of about 10dB/km, which is several orders of magnitude less than solid-state laser crystals. Compared with crystalline solid materials, the absorption and emission bands of rare-earth ions show a broadened spectrum. This is because the interaction of the glass substrate reduces the frequency stability and the required width of the pump light source. Therefore, it is necessary to choose a laser diode pump source with a suitable wavelength for fiber lasers.

The optical fiber contains a rare-earth-doped active core with a refractive index of n₁, usually surrounded by a layer of pure silica glass cladding, and the refractive index of the cladding is n₂<n₁. Therefore, based on the total reflection inside the interface between the core and the cladding, the waveguide is generated in the core layer. For pump radiation and laser radiation, the core layer of the fiber laser is both an active medium and a waveguide. The entire optical fiber is protected from external influences by a polymer outer layer.

For optically excited fiber lasers, the pump radiation is coupled to the laser core through the fiber surface. However, if it is axially pumped, the pump radiation must be coupled into a waveguide of only a few microns. Therefore, a highly transparent pump radiation source must be used to excite the multi-mode fiber, and the current output power of the radiation source is limited to about 1W. In order to amplify the pump power proportionally, it is necessary to match the beam parameters of the large-opening fiber with the high-power semiconductor laser array. However, the enlarged fiber active core allows higher transverse mode oscillations, which will result in reduced beam quality. At present, a double-clad design is used, that is, an isolated core layer is used to pump and emit lasers, and good results can be obtained.

Double-clad fiber laser

Double-clad doped fiber consists of four parts: core, inner cladding, outer cladding and protective layer.

The function of the fiber core is to absorb the incoming pump light and confine the radiated laser light in the core; as a waveguide, confine the laser light to transmit in the core and control the mode.

The role of the inner cladding layer is to wrap the core and confine the radiated laser light within the core; as a waveguide, the multimode transmission of the pump light coupled to the inner cladding layer makes it reflect back and forth between the inner cladding layer and the outer cladding layer. Pass through the single-mode fiber core and be absorbed

For double-clad fiber lasers, the pump radiation is not directly emitted to the active core layer, but into the surrounding multimode core layer. The pump core layer is also like the cladding layer. In order to realize the optical waveguide characteristics of the pump core layer to the active core layer, the surrounding coating must have a small refractive index. Usually, fluorine-doped silica glass or a highly transparent polymer with a low refractive index is used. The typical diameter of the pump core is several hundred microns, and its numerical aperture NA≈0.32~0.7, as shown in Figure 2.14.

The radiation emitted to the pump core is coupled into the laser core over the entire length of the fiber, where it is absorbed by the rare-earth ions, and all high-level light is excited. Using this technology, multi-mode pump radiation can be effectively converted from high-power semiconductor lasers into laser radiation, and it has excellent beam quality.

الخصائص التقنية لمصدر ألياف الليزر

توفر الليزرات الليفية إمكانية التغلب على محدودية طاقة الإخراج المعايرة لليزر الحالة الصلبة مع الحفاظ على جودة الحزمة. تعتمد جودة حزمة الليزر النهائية على ملف تعريف معامل الانكسار للألياف ، ويعتمد المظهر الجانبي لمعامل الانكسار للألياف في النهاية على الحجم الهندسي والفتحة العددية للدليل الموجي المنشط. عندما يتم نشر الوضع الأساسي ، لا علاقة لتذبذب الليزر بالعوامل الخارجية. وهذا يعني أنه بالمقارنة مع أنواع ليزر الحالة الصلبة الأخرى (حتى التي يتم ضخها بأشباه الموصلات) ، فإن ليزرات الألياف ليس لها تأثيرات بصرية حرارية.

سيؤدي تأثير المنشور الناتج عن الحرارة وتأثير الانكسار الناتج عن الضغط في المنطقة النشطة إلى انخفاض جودة الحزمة. عندما يتم نقل طاقة المضخة ، لا يلاحظ ليزر الألياف انخفاضًا في الكفاءة حتى عند الطاقة العالية.

بالنسبة لمصدر ألياف الليزر ، فإن الحمل الحراري الناتج عن عملية الضخ سوف يمتد إلى مساحة أطول. بسبب مساحة السطح الأكبر إلى نسبة الحجم ، يكون التأثير الحراري أسهل للتخلص. لذلك ، فإن ارتفاع درجة حرارة قلب الليزر الليفي يكون صغيرًا مقارنة بأشعة الليزر المضخة ذات أشباه الموصلات الصلبة. لذلك ، عندما يعمل الليزر ، يتم إضعاف كفاءة الكم بسبب ارتفاع درجة الحرارة ، والتي تلعب دورًا ثانويًا في ليزر الألياف.

مجتمعة ، مصدر ليزر الألياف له المزايا الرئيسية التالية.

• تتميز الألياف الضوئية كوسيط موجي موجه بكفاءة اقتران عالية ، وقطر نواة صغير ، وكثافة طاقة عالية تتشكل بسهولة في القلب ، ويمكن توصيلها بسهولة بنظام اتصالات الألياف الضوئية الحالي بكفاءة ، والليزر المشكل له كفاءة تحويل عالية ومنخفضة عتبة الليزر. ، جودة شعاع الإخراج جيدة وعرض الخط ضيق.
• نظرًا لأن الألياف الضوئية لها نسبة سطح إلى حجم كبيرة ، فإن تأثير تبديد الحرارة جيد ، ويُسمح لدرجة الحرارة المحيطة أن تكون بين -20 ~ + 70 ℃ ، بدون نظام تبريد مائي ضخم ، فقط تبريد هواء بسيط.
• يمكن أن تعمل في بيئات قاسية ، مثل التأثير العالي والاهتزاز العالي ودرجة الحرارة المرتفعة والظروف المتربة.
• نظرًا لأن الألياف الضوئية تتمتع بمرونة ممتازة ، يمكن تصميم الليزر ليكون صغيرًا ومرنًا ومدمجًا في المظهر وسهل التكامل في النظام وفعالًا من حيث التكلفة.
• لديه الكثير من المعلمات القابلة للضبط والانتقائية. على سبيل المثال ، محزوز ألياف Bragg ذات الطول الموجي المناسب والنفاذية يتم كتابتها مباشرة على طرفي الألياف المزدوجة المكسوة لتحل محل التجويف الرنان الذي يتكون من انعكاس المرآة. يتكون ليزر Raman كامل الألياف من حلقة ليفية أحادية الاتجاه ، تجويف دائري للدليل الموجي. يتم تضخيم الإشارة في التجويف مباشرة بواسطة ضوء المضخة دون انعكاس السكان.