Was ist der Laserresonator?

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Das Instrument, das Laserquellenlicht erzeugt, wird als Laserresonator bezeichnet, der Gaslaser, Flüssigkeitslaser, Festkörperlaser, optische Halbleitergeräte und andere Laser umfasst. Unter ihnen sind die typischeren Laser CO₂ Gaslaser, Halbleiterlaser, YAG-Festkörperlaser und Faserlaser.

Grundlegender Aufbau und Entwicklung von Laser

Die grundlegende Zusammensetzung von Laser

Obwohl es viele Arten von Lasern gibt, erzeugen sie alle Laser durch Anregung und stimulierte Strahlung. Daher ist die grundlegende Zusammensetzung von Lasern festgelegt, in der Regel bestehend aus Arbeitsmaterialien (dh Arbeitsmedien, die nach Anregung eine Besetzungsinversion erzeugen können), Anregungsquellen (Die Energie, die dazu führen kann, dass die Arbeitssubstanz die Anzahl der Teilchen invertiert) Pumpquelle genannt) und der optische Resonanzhohlraum bestehen aus drei Teilen.

Arbeitsstoff

Bei der Herstellung des Lasers muss ein geeignetes Arbeitsmaterial gewählt werden, das Gas, Flüssigkeit, Festkörper oder Halbleiter sein kann. In diesem Medium kann die Anzahl der Partikel umgekehrt werden, um die notwendigen Bedingungen für die Gewinnung von Laserlicht zu schaffen. Die Existenz metastabiler Energieniveaus ist für die Realisierung einer Populationsinversion sehr vorteilhaft. Es gibt fast tausend Arten von Arbeitsmaterialien und die erzeugbaren Laserwellenlängen decken einen weiten Bereich von Vakuum-Ultraviolett-Bändern bis hin zu fernen Infrarot-Bändern ab.

Anregungsquelle

Um die Partikelanzahl im Arbeitsstoff umzukehren, muss ein bestimmtes Verfahren angewendet werden, um das Partikelsystem anzuregen und die Partikelanzahl bei hohen Energieniveaus zu erhöhen. Die Gasentladungsmethode kann Elektronen mit kinetischer Energie verwenden, um den Arbeitsstoff anzuregen, was als elektrische Anregung bezeichnet wird; Pulslichtquelle kann auch verwendet werden, um die Arbeitssubstanz zu bestrahlen, um eine Anregung zu erzeugen, die als optische Anregung bezeichnet wird; es gibt thermische Anregung, chemische Anregung und so weiter. Verschiedene Anreizmethoden werden anschaulich als Pumpen oder Pumpen bezeichnet. Um die Laserleistung kontinuierlich zu erhalten, muss sie kontinuierlich gepumpt werden, um die Anzahl der Teilchen im angeregten Zustand zu halten.

Optischer Hohlraum

Mit geeignetem Arbeitsmaterial und Anregungsquelle kann zwar die Besetzungsinversion erreicht werden, jedoch ist die Intensität der so erzeugten stimulierten Strahlung sehr gering und kann nicht appliziert werden. So dachte man, dass man einen optischen Resonanzhohlraum verwenden könnte, um die stimulierte Strahlung zu verstärken. Der optische Resonanzhohlraum besteht aus zwei Spiegeln mit einer bestimmten geometrischen Form und auf bestimmte Weise kombinierten optischen Reflexionseigenschaften. Seine Hauptfunktionen sind wie folgt.

Bereitstellung einer optischen Rückkopplungsfähigkeit, damit die stimulierten Emissionsphotonen im Resonator mehrmals hin und her gehen, um eine kohärente kontinuierliche Schwingung zu bilden.

Begrenzen Sie die Richtung und Frequenz des oszillierenden Strahls in der Kavität, um sicherzustellen, dass der Ausgangslaser eine bestimmte Direktionalität und Monochromatizität aufweist.

Die Entwicklung von Lasern

Der Laser ist eine der unverzichtbaren Kernkomponenten moderner Laserbearbeitungsanlagen. Mit der Entwicklung der Laserbearbeitungstechnologie schreiten auch Laser ständig voran, und viele neue Laser sind erschienen.

Frühe Laserquellen zur Bearbeitung von Lasern waren hauptsächlich CO .-Hochleistungslaser₂, Gaslaser und lampengepumpte YAG-Festkörperlaser. Aus der Perspektive der Entwicklungsgeschichte der Laserbearbeitungstechnik ist das hochgekappte CO₂ und Laser, die Mitte der 1970er Jahre auftauchten, entwickelten diffusionsgekühltes CO₂ Laser. Tabelle 2.1 zeigt den Entwicklungsstand von CO₂ Laser.

Lasertyp	Abgedichteter Typ	Typ mit langsamer axialer Strömung	Querstromtyp	Typ mit schneller axialer Strömung	Turbolüfter Schnelle axiale Strömung	Diffusionskühlung Typ SLAB
Alter des Aussehens	Mitte der 1970er Jahre	Anfang der 1980er Jahre	Mitte der 1980er Jahre	Ende der 1980er Jahre	Anfang der 1990er Jahre	20. Jahrhundert Mitte der 90er Jahre
Leistung/W	500	1000	20000	5000	10000	5000
Strahlqualität (M2 Faktor	Instabil	1.5	10	5	2.5	1.2
Strahlqualität (KF/mm• mrad)	Instabil	5	35	17	9	4.5

Frühes CO₂ Laser tendierten dazu, sich in Richtung steigender Laserleistung zu entwickeln, aber wenn die Laserleistung einen bestimmten Bedarf erreichte, wurde auf die Strahlqualität des Lasers geachtet und die Entwicklung des Lasers zur Verbesserung der Strahlqualität verschoben. Kürzlich wurde die diffusionsgekühlte CO .-Platte₂ Laser, der nahe an der Beugungsgrenze liegt, eine gute Strahlqualität aufweist und nach seiner Markteinführung vor allem im Bereich des Laserschneidens weit verbreitet ist und von vielen Unternehmen bevorzugt wird.

Das CO₂ Laserresonatoren haben die Nachteile eines großen Volumens, einer komplexen Struktur und einer schwierigen Wartung. Metall kann den Laser mit einer Wellenlänge von 10,6 µm nicht gut absorbieren, kann keine Lichtleitfaser verwenden, um den Laser zu übertragen, und das durch die Schweißzeit induzierte Plasma ist schwerwiegend und andere Mängel. Später machte der YAG-Festkörperlaser mit einer Wellenlänge von 1,06 чm die Schwächen des CO . wett₂ bis zu einem gewissen Grad lasern. Frühe YAG-Festkörperlaser verwendeten Lampenpumpverfahren, die Probleme wie eine geringe Lasereffizienz (ca. 3%) und eine schlechte Strahlqualität aufwiesen. Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Lasertechnologie machten YAG-Festkörperlaser weitere Fortschritte und viele neue Laser erschienen. Der Entwicklungsstand von YAG-Festkörperlasern ist in Tabelle 2.2 dargestellt.

Lasertyp	Lampe gepumpt	Diodengepumpt	Fasergepumpt	Flockenscheibe	Halbleiterendgepumpt	Faserlaser
Alter des Aussehens	1980er Jahre	Ende der 1980er Jahre	Mitte der 1990er Jahre	Mitte der 1990er Jahre	Ende der 1990er Jahre	Anfang des 21. Jahrhunderts
Leistung/W	6000	4400	2000	4000（Prototyp）	200	10000
Strahlqualität (M2 Faktor)	70	35	35	7	1.1	70
Strahlqualität (KF/mm• Markierung)	25	12	12	2.5	0.35	25

Aus Tabelle 2.1 und Tabelle 2.2 ist ersichtlich, dass neben der kontinuierlichen Verbesserung der Laserleistung ein weiterer wichtiger Aspekt der Laserentwicklung darin besteht, die Strahlqualität des Lasers kontinuierlich zu verbessern. Die Laserstrahlqualität spielt bei der Laserbearbeitung oft eine wichtigere Rolle als die Laserleistung.

Die Entwicklung von Fertigungslasern mit Laser- Leistung und Strahlqualität ist in Abbildung 2.1 dargestellt.

Zu Beginn des 21. Jahrhunderts tauchte ein weiterer neuer Typ von Laser-Halbleiterlasern auf. Im Vergleich zu herkömmlichem Hochleistungs-CO₂ Laserresonator und YAG-Festkörperlaser haben Halbleiterlaser offensichtliche technische Vorteile, wie geringe Größe, geringes Gewicht, hohe Effizienz, geringer Energieverbrauch, lange Lebensdauer und hohe Absorptionsrate von Metall-Halbleiter-Lasern. Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Halbleiterlasertechnologie haben sich auch andere Festkörperlaser auf Basis von Halbleiterlasern wie Faserlaser, halbleitergepumpte Festkörperlaser und Schichtlaser rasant entwickelt. Unter ihnen entwickeln sich Faserlaser schnell, insbesondere mit seltenen Erden dotierte Faserlaser, die in der Faserkommunikation, Fasersensorik, Lasermaterialbearbeitung und anderen Gebieten weit verbreitet sind.

Von CO₂ Gaslaser zu Faserlaser

CO₂ Gaslaser

Ein Laser, der CO . verwendet₂ als Hauptarbeitsstoff heißt CO₂ Laser. Eine kleine Menge N² und He muss zu seiner Arbeitssubstanz hinzugefügt werden, um die Verstärkung, den Wärmebeständigkeitswirkungsgrad und die Ausgangsleistung des Lasers zu verbessern. CO₂ Laser hat die folgenden Eigenschaften.

• Die Ausgangsleistung ist groß. Das allgemeine CO .-Geschlossene₂ Laser kann eine kontinuierliche Ausgangsleistung von mehreren zehn Watt haben, was weit mehr ist als bei anderen Gaslasern. Die seitliche Strömung elektrisch angeregtes CO₂ Laser kann eine kontinuierliche Leistung von mehreren zehn Kilowatt haben.
• Hohe Energieumwandlungseffizienz. Die Energieumwandlungseffizienz von CO₂ Laser können 30%~40% erreichen, was andere Gaslaser übertrifft.
• Das CO₂ Laser nutzt den Übergang zwischen den Energieniveaus des CO₂ Molekülschwingung und hat ein relativ reiches Spektrum. Es gibt Dutzende von Spektrallinien im Laserausgang nahe der Wellenlänge von 10 m. Das Hochdruck-CO₂ Laser, der in den letzten Jahren entwickelt wurde, kann eine kontinuierlich abstimmbare Leistung von 9 bis 10 µm erreichen.
• Das Ausgangsband des CO₂ Laser ist genau das atmosphärische Fenster (d.h. die Transparenz der Atmosphäre für diese Wellenlänge ist relativ hoch)
• Außerdem CO₂ Laser haben auch die Vorteile einer hohen Ausgangsstrahlqualität, guter Kohärenz, schmaler Linienbreite, stabilem Betrieb usw., so dass sie in der Industrie und in der Landesverteidigung weit verbreitet sind.

Die Struktur von CO₂ Laser-

Ein typisches abgeschottetes längs elektrisch angeregtes CO₂ Laser- Resonator besteht aus einer Laserröhre, Elektroden und einem Resonanzhohlraum (Abbildung 2.2). Die kritischste Komponente ist eine Laserröhre aus Hartglas, die in der Regel eine geschichtete Hülsenstruktur aufweist. Die innerste Schicht ist ein Entladungsrohr, die zweite Schicht ist ein wassergekühltes Mantelrohr und die äußerste Schicht ist ein Gasspeicherrohr.

Die Entladungsröhre befindet sich im positiven Säulenbereich der Glimmentladung in der Gasentladung. Dieser Bereich ist reich an energietragenden Partikeln wie Elektronen, Ionen, metastabilen Partikeln und Photonen, was den Verstärkungsbereich des Lasers darstellt. Aus diesem Grund werden bestimmte Anforderungen an Durchmesser, Länge, Rundheit und Geradheit der Entladungsröhre gestellt. Die meisten Geräte unter 100 W sind aus Hartglas. Geräte mit mittlerer Leistung (100~500W) bestehen normalerweise aus Quarzglasröhren, um die Stabilität der Leistung oder Frequenz zu gewährleisten. Der Durchmesser des Rohres beträgt im Allgemeinen etwa 10 mm und die Rohrlänge kann etwas dicker sein.

Neben der Entladungsröhre befindet sich ein Kaltwassermantel, dessen Funktion darin besteht, die Temperatur des Arbeitsgases in der Röhre zu senken, sicherzustellen, dass das Gerät die Besetzungsinversionsverteilung realisiert und die Entladungsröhre vor Erwärmung und Rissen während der Entladungserregungsprozess. Der Zweck des Hinzufügens eines wassergekühlten Gehäuses besteht darin, die Luft und das Gas zu kühlen, damit die Ausgangsleistung stabil bleibt. Das Entladungsrohr ist an beiden Enden mit dem Gasspeicherrohr verbunden. Ein Ende des Gasspeicherrohrs weist ein kleines Loch auf, das mit dem Entladungsrohr in Verbindung steht, und das andere Ende ist mit dem Entladungsrohr durch das spiralförmige Rückführrohr verbunden, so dass das Gas in dem Entladungsrohr und dem Gasspeicherrohr zirkulieren kann. Das Gas im Rohr kann jederzeit mit dem Gas im Gasspeicherrohr ausgetauscht werden.

Die Funktion des äußersten Gasspeicherrohres besteht darin, die Änderung der Arbeitsgaszusammensetzung und des Drucks während des Entladungsprozesses zu reduzieren und die mechanische Stabilität des Entladungsrohres zu erhöhen.

Das Luftrückführrohr ist ein dünnes Spiralrohr, das die beiden Räume der Kathode und der Anode verbindet, wodurch die durch das Elektrophorese-Phänomen verursachte unausgeglichene Druckverteilung zwischen den Elektroden verbessert werden kann. Der Wert des Durchmessers und der Länge des Rücklaufrohrs ist sehr wichtig. Es ermöglicht nicht nur, dass das Gas an der Kathode schnell zum Anodenbereich strömt, um eine gleichmäßige Gasverteilung zu erreichen, sondern verhindert auch das Entladungsphänomen im Rücklaufrohr.

Die Elektroden sind in Anode und Kathode unterteilt. Das Kathodenmaterial erfordert die Fähigkeit, Elektronen zu emittieren, eine niedrige Sputterrate und die Fähigkeit, CO . zu reduzieren₂. Derzeit ist das meiste CO₂ und Laserresonatoren verwenden Nickelelektroden, und die Elektrodenfläche wird durch den Innendurchmesser der Entladungsröhre und den Arbeitsstrom bestimmt. Die galvanische Abscheidung erfolgt koaxial zur Entladungsröhre. Die Anode kann gleich groß wie die Kathode sein oder etwas kleiner sein.

Der Resonanzhohlraum besteht aus einem Gesamtspiegel und einem Ausgangsspiegel. Die Totalreflexionsspiegel für CO . mittlerer und niedriger Leistung₂ Laserresonatoren verwenden im Allgemeinen vergoldete Glasspiegel, da der Goldfilm ein hohes Reflexionsvermögen von 10,6 µm Licht hat und chemisch stabil ist. Glassubstratspiegel weisen jedoch eine schlechte Wärmeleitfähigkeit auf, sodass Hochleistungs-CO₂ Laser verwenden oft Metallspiegel, wie Kupferspiegel oder Molybdänspiegel, oder Spiegel, die mit Gold und einem dielektrischen Film auf einem polierten sauerstofffreien Kupfer-Edelstahlsubstrat beschichtet sind. Der Ausgangsspiegel verwendet normalerweise ein Material, das eine Wellenlänge von 10,6 µm als Substrat durchlassen kann, und ein mehrschichtiger Film wird darauf plattiert, um eine bestimmte Transmission zu steuern, um die beste Kopplungsleistung zu erzielen. Häufig verwendete Materialien sind Kaliumchlorid, Natriumchlorid, Aluminium, Arsen, Zinkselenid, Cadmiumtellurid und so weiter.

Der Resonanzraum des CO₂ Laser ist normalerweise flach und konkav. Der Totalspiegel besteht aus optischem K8-Glas oder optischem Quarz, der zu einem Hohlspiegel mit großem Krümmungsradius verarbeitet wird. Die Spiegeloberfläche ist mit einem hochreflektierenden Metallfilm – einem vergoldeten Film – mit einer Wellenlänge von 10,6чm beschichtet. Das Reflexionsvermögen an dieser Stelle erreicht 98,8% und die chemischen Eigenschaften sind stabil.

Das von Kohlendioxid emittierte Licht ist Infrarotlicht, daher müssen Vollreflexionsspiegel Materialien verwenden, die Infrarotlicht durchlassen. Da gewöhnliches optisches Glas für Infrarotlicht nicht transparent ist, ist es erforderlich, ein kleines Loch in der Mitte des Gesamtspiegels zu öffnen und dann ein Stück Infrarotmaterial zu versiegeln, das 10,6-m-Laser übertragen kann, um Gas zu versiegeln, wodurch der Laser in der Resonanzhohlraum getrennt ist ein Ausgang aus dem kleinen Loch außerhalb des Hohlraums, um einen Laserlichtstrahl oder ein Lichtmesser zu bilden.

Der Entladestrom des abgeschotteten CO₂ Laserresonator ist relativ klein. Die Kaltelektrode wird verwendet, und die Kathode wird aus einem Molybdänblech oder einem Nickelblech in zylindrischer Form hergestellt. Der Arbeitsstrom beträgt 30~40MA, die Fläche des Kathodenzylinders beträgt 500cm², um die Linse nicht zu verschmutzen, wird zwischen Kathode und Linse eine Lichtschranke eingefügt. Die Pumpe wird durch eine kontinuierliche Gleichstromversorgung erregt.

Ausgangscharakteristik von CO₂ Lasersystem

Crossflow-CO₂ Laser-Resonator. Der Gasstrom verläuft senkrecht zur Achse der Kavität. Das CO₂ Laser mit dieser Struktur hat eine niedrige Strahlqualität und wird hauptsächlich zur Oberflächenbehandlung von Materialien verwendet und wird im Allgemeinen nicht zum Schneiden verwendet. Im Vergleich zu anderen CO₂ Laser, Cross-Flow-CO₂ Laser haben eine hohe Ausgangsleistung, niedrige Strahlqualität und niedrige Preise.

Cross-Flow-CO₂ Laser können Gleichstrom (DC)-Anregung und Hochfrequenz (HF)-Anregung verwenden, und die Elektroden werden auf beiden Seiten der Plasmazone parallel zur Achse der Kavität platziert. Die Zünd- und Betriebsspannung des Plasmas sind niedrig, das Gas durchströmt die Plasmazone senkrecht zum Strahl und der Durchgang des durch das Elektrodensystem strömenden Gases ist sehr breit, daher ist der Strömungswiderstand sehr klein, die Kühlung des Plasma ist sehr effektiv und die Leistung des Lasers ist nicht zu groß. Viele Einschränkungen.

Die Länge dieses Lasertyps beträgt weniger als 1 m, kann jedoch eine Leistung von 8 kW erzeugen. Aufgrund der seitlichen Gasströmung durch das Plasma bläst dieser Lasertyp jedoch das Plasma vom Hauptentladungskreis weg, wodurch die Plasmafläche auf dem Strahlabschnitt mehr oder weniger in ein Dreieck abweicht, die Strahlqualität ist nicht hoch , und Modi hoher Ordnung werden angezeigt. Wird ein kreisförmiges Loch zur Modenbegrenzung verwendet, kann die Symmetrie des Strahls bis zu einem gewissen Grad verbessert werden.

Schneller axialer CO .-Fluss₂ Laser-Resonator. Die Struktur ist in Abbildung 2.3 dargestellt. Der Strom des Lasergases dieser Art von CO₂ Laser ist entlang der Achse des Resonators. Die Ausgangsleistung von CO₂ Laser mit dieser Struktur reicht von Hunderten von Watt bis 20KW. Die Qualität des Ausgangsstrahls ist besser und es ist die derzeit übliche Struktur beim Laserschneiden.

Schneller axialer CO .-Fluss₂ Laser können Gleichstrom (DC)-Anregung und Radiofrequenz (RF)-Anregung verwenden. Die Form des Plasmas zwischen den Elektroden ist eine schlanke Säule. Um zu verhindern, dass sich das Plasma in der Umgebung ausbreitet, befindet sich diese Art von Entladungsbereich häufig in einem hohlzylindrischen Glasrohr oder Keramikrohr. An beiden Enden der beiden Ringelektroden kann das Plasma gezündet und aufrechterhalten werden. Die Zünd- und Betriebsspannung hängt von der Elektrode ab. Die maximale Spannung, die in praktischen Anwendungen verwendet wird, beträgt 20~30KV.

Die Kühlung des zirkulierenden Gases erfolgt in Form einer schnellen Axialströmung. Um eine effektive Wärmeleitung zu gewährleisten, werden üblicherweise Roots-Gebläse oder regelbare Radlüfter verwendet, um diese Hochgeschwindigkeitsströmung zu erreichen, aber der Strömungswiderstand dieser geometrischen Form ist relativ hoch und die Laserausgangsleistung unterliegt gewissen Einschränkungen, wie z die Laserleistung von nur wenigen hundert Watt des DC-Erregers. Die Ausgangsleistung des Lasers ist begrenzt, daher werden oft mehrere axiale Kühl-Entladungsröhren in optischer Form verbunden, um eine ausreichende Laserleistung bereitzustellen.

Da die Ausgangsleistung des CO₂ Laserresonators hängt hauptsächlich von der elektrischen Leistungsaufnahme pro Volumeneinheit ab, die HF-Anregung ist höher als die DC-Anregung und die Plasmadichte ist höher. Der HF-Anregungs-Axialflusslaser, bei dem mehrere axiale Kühlungsentladungsröhren in optischer Form verbunden sind, kontinuierlich Die Ausgangsleistung kann 20KW erreichen. Axiales CO₂ Laser sind aufgrund der axialen Symmetrie des Plasmas einfach im Fundamentalmodus zu betreiben und erzeugen eine hohe Strahlqualität.

Lamellendiffusionskühlung CO₂ Laser. Diffusionsgekühltes CO₂ Laser ähneln dem frühen abgedichteten CO₂ Laser. Das Arbeitsgas des abgeschotteten CO₂ Laser wird in einer Entladungsröhre eingeschlossen und durch Wärmeleitung gekühlt. Obwohl die Außenwand der Entladungsröhre effektiv gekühlt wird, kann die Entladungsröhre nur 50 W Laserenergie pro Meter erzeugen, und es ist unmöglich, einen kompakten Hochenergielaser herzustellen. Diffusionsgekühltes CO₂ Laser verwenden ebenfalls gasgeschlossene Verfahren, jedoch sind die Laser kompakte Strukturen, die durch Hochfrequenz angeregte Gasentladung erfolgt zwischen zwei Kupferelektroden mit einer größeren Fläche. Die Elektroden können durch Wasserkühlung gekühlt werden und der schmale Spalt zwischen den beiden Elektroden kann die Wärme aus dem Entladungshohlraum so gut wie möglich abführen, so dass eine relativ hohe Ausgangsleistungsdichte erreicht werden kann.

Das diffusionsgekühlte CO₂ Laserresonator nimmt einen stabilen Resonanzhohlraum an, der aus zylindrischen Spiegeln besteht. Da sich die optisch instabile Kavität leicht an die Geometrie des angeregten Laserverstärkungsmediums anpassen kann, ist das plattenförmige diffusionsgekühlte CO₂ Laser kann Laserstrahlen mit hoher Leistungsdichte erzeugen, und die Laserstrahlqualität ist hoch, aber der ursprüngliche Ausgangsstrahl dieses Lasertyps ist rechteckig, und ein wassergekühltes Gerät zur Formung des reflektierten Strahls ist erforderlich, um den rechteckigen Strahl kreisförmig zu formen symmetrischer Laserstrahl. Derzeit beträgt der Ausgangsleistungsbereich dieses Lasertyps 1 bis 5 kW.

Verglichen mit Gasfluss CO₂ Laser, Slab-Diffusionskühlung CO₂ Laser zeichnen sich durch einen kompakten und robusten Aufbau aus und haben den herausragenden Vorteil, dass sie in der Praxis nicht frisch als Gasstrom sein müssen CO₂ Laser. Laserarbeitsgas, jedoch ist im Laserkopf ein kleiner zylindrischer Behälter von etwa 10 Litern installiert, um das Laserarbeitsgas zu speichern. Dies kann durch eine externe Laserarbeitsgasversorgung und einen wasserfesten Gastanktauscher erreicht werden. Diese Art von Exekutivagentur arbeitet seit mehr als einem Jahr.

Ein Halbleiterlaser

Als Halbleiterlaser bezeichnet man einen Lasertyp mit Halbleiter als Arbeitsmaterial. Verglichen mit anderen Lasern haben Halbleiterlaser die Vorteile geringer Größe, hoher Effizienz, einfacher und robuster Struktur und direkter Modulation. Halbleiterlaser haben wichtige Anwendungen in der Kommunikation, Entfernungsmessung und Informationsverarbeitung.

Halbleiterfundament

Reine Halbleiter ohne Verunreinigungen werden intrinsische Halbleiter genannt. Wenn Fremdatome in intrinsische Halbleiter dotiert werden, werden Fremdatome unterhalb des Leitungsbandes und oberhalb des Valenzbandes gebildet, die als Donor- bzw. Akzeptorniveau bezeichnet werden. Abbildung 2.4 zeigt die Verunreinigungsgrade von Si-Einkristall-Halbleitern.

Halbleitermaterialien sind meist kristalline Strukturen. Wenn eine große Anzahl von Atomen regelmäßig und eng zu einem Kristall verbunden sind, befinden sich diese Valenzelektronen im Kristall alle im Kristallenergieband. Wenn ein externes elektrisches Feld angelegt wird, gehen die Elektronen im Valenzband in das Leitungsband über und können sich im Leitungsband frei bewegen, um Elektrizität zu leiten. Der Verlust eines Elektrons im Valenzband entspricht dem Auftreten eines positiv geladenen Lochs, das auch unter Einwirkung eines äußeren elektrischen Feldes Elektrizität leiten kann. Daher haben die Löcher im Valenzband und die Elektronen im Leitungsband einen leitenden Effekt, der zusammenfassend als Ladungsträger bezeichnet wird.

Ein Halbleiter mit einem Donatorniveau wird als n-Typ-Halbleiter bezeichnet; ein Halbleiter mit einem Akzeptorniveau wird als Halbleiter vom p-Typ bezeichnet. Bei Raumtemperatur werden die meisten Donoratome von n-Typ-Halbleitern durch thermische Energie ionisiert, und Elektronen werden in das Leitungsband angeregt und werden zu freien Elektronen. Die meisten Akzeptoratome von p-Halbleitern fangen Elektronen im Valenzband ein und bilden Löcher im Valenzband. Daher werden Halbleiter vom n-Typ hauptsächlich durch Elektronen im Leitungsband geleitet; Halbleiter vom p-Typ werden hauptsächlich durch Löcher im Valenzband geleitet.

In einem Stück Halbleitermaterial wird der plötzliche Wechsel vom p-Typ-Bereich zum n-Typ-Bereich als pn-Übergang bezeichnet. An der Grenzfläche bildet sich eine Raumladungszone. Die Elektronen im Leitungsband des n-Typ-Halbleiters diffundieren in den p-Bereich, und die Löcher im Valenzband des p-Typ-Halbleiters diffundieren in den n-Bereich. Der n-Typ-Bereich nahe dem Übergangsbereich ist positiv geladen, da er ein Donor ist, und der p-Typ-Bereich nahe dem Übergangsbereich ist negativ geladen, da er ein Akzeptor ist. An der Grenzfläche wird ein von der n-Zone zur p-Zone gerichtetes elektrisches Feld gebildet, das als eingebautes elektrisches Feld (oder selbstgebautes elektrisches Feld) bezeichnet wird. Dieses elektrische Feld verhindert die fortgesetzte Diffusion von Elektronen und Löchern.

Wenn an das Halbleitermaterial, das den pn-Übergang bildet, eine Vorwärtsspannung angelegt wird, wird das p-Gebiet mit der positiven Elektrode und das n-Gebiet mit der negativen Elektrode verbunden. Das elektrische Feld der Durchlassspannung ist dem eingebauten elektrischen Feld des pn-Übergangs entgegengesetzt, was die Behinderung des eingebauten elektrischen Feldes für die Elektronendiffusion im Kristall schwächt, so dass die freien Elektronen in der n-Zone konstant sind unter der Wirkung der Durchlassspannung.

Diffusion zum p-Gebiet durch den pn-Übergang. Wenn in der Übergangszone gleichzeitig viele Elektronen im Leitungsband und Löcher im Valenzband vorhanden sind, rekombinieren sie in der Injektionszone. Beim Übergang der Elektronen im Leitungsband ins Valenzband wird die überschüssige Energie in Form von Licht emittiert. herauskommen. Dies ist der Mechanismus der Halbleiterelektrolumineszenz, und diese spontane Rekombinationslumineszenz wird als spontane Emission bezeichnet.

Damit der pn-Übergang Laserlicht erzeugt, muss im Übergangsbereich eine Partikelinversionsverteilung gebildet werden, ein stark dotiertes Halbleitermaterial muss verwendet werden und der in den pn-Übergang injizierte Strom muss groß genug sein (z. B. 30 KA/cm²).²). Auf diese Weise kann im lokalen Bereich des pn-Übergangs ein umgekehrter Verteilungszustand von mehr Elektronen im Leitungsband als Löcher im Valenzband gebildet werden, wodurch stimulierte Strahlung erzeugt und Laserlicht emittiert wird.

Der optische Resonanzhohlraum eines Halbleiterlaser-Resonators besteht aus einer Spaltungsebene (110 Flächen) senkrecht zur pn-Übergangsebene. Es hat ein Reflexionsvermögen von 35%, das ausreicht, um Laserschwingungen zu verursachen. Wenn die Reflektivität erhöht werden muss, kann eine Schicht aus SiO₂ kann auf die Kristalloberfläche plattiert werden, und dann kann eine Schicht aus einem metallischen Silberfilm plattiert werden, um ein Reflexionsvermögen von mehr als 95% zu erhalten.

Sobald eine Vorwärtsspannung an den Halbleiterlaser angelegt wird, tritt die Besetzungsinversion im Übergangsbereich auf und es tritt eine Rekombination auf.

Bedingungen für Halbleiter-stimulierte Emission

Halbleiterlaser arbeiten durch Injizieren von Ladungsträgern und emittierende Laser müssen die folgenden drei Grundbedingungen erfüllen.

• Es ist notwendig, eine ausreichende Besetzungsinversionsverteilung zu erzeugen, d. h. die Anzahl der Teilchen im hochenergetischen Zustand ist ausreichend größer als die Anzahl der Teilchen im niederenergetischen Zustand.
• Es gibt einen geeigneten Resonanzhohlraum, der eine Rückkopplungsrolle spielen kann, so dass die Photonen der stimulierten Strahlung vermehrt werden, um eine Laserschwingung zu erzeugen.
• Eine bestimmte Schwellenbedingung muss erfüllt sein, damit die Photonenverstärkung gleich oder größer als der Photonenverlust ist.

Homojunction-Halbleiterlaser vom Injektionstyp

Der Homojunction-GaAs-Halbleiterlaserresonator vom Injektionstyp ist der erste Halbleiterlaser, der erfolgreich entwickelt wurde. Homogener Übergang bezieht sich auf einen pn-Übergang, der aus p-Typ- und n-Typ-Halbleitern des gleichen Matrixmaterials (wie GaAs) besteht, und der Injektionstyp bezieht sich auf ein Pumpverfahren, das den Halbleiterlaser direkt erregt und Strom injiziert, um die Arbeitssubstanz anzuregen .

Abbildung 2.5 (a) zeigt die typische Erscheinungsbildstruktur dieses Lasers. Am Röhrenmantel befindet sich ein kleines Fenster zur Ausgabe des Lasers, und die Elektrode am unteren Ende der Röhre dient der externen Stromversorgung. In der Schale befindet sich der Laserchip, wie in Abbildung 2.5(b) gezeigt. Es gibt viele Formen der Matrize, Abbildung 2.5(c) ist ein schematisches Diagramm der Struktur der mesaförmigen Matrize. Die Dicke des pn-Übergangs beträgt nur einige zehn Mikrometer. Im Allgemeinen wird eine dünne Schicht aus p-Typ-GaAs auf dem Boden des n-Typ-GaAs-Dorfes aufgewachsen, um den pn-Übergang zu bilden.

Der Resonanzhohlraum des Lasers verwendet im Allgemeinen direkt zwei Endflächen senkrecht zum pn-Übergang. Der Brechungsindex von GaAs beträgt 3,6 und das Reflexionsvermögen von Licht senkrecht zur Endoberfläche beträgt 32%. Um die Ausgangsleistung zu erhöhen und den Betriebsstrom zu reduzieren, wird in der Regel eine der reflektierenden Oberflächen mit Gold beschichtet.

Halbleiterlaser mit Heteroübergang

Studien haben gezeigt, dass es für Halbleiterlaser mit Homoübergang schwierig ist, niedrige Schwellenströme zu erhalten und einen kontinuierlichen Betrieb bei Raumtemperatur zu erreichen. Daher haben Menschen auf dieser Grundlage Heterojunction-Laser entwickelt. Heteroübergangslaser sind auch Einfachheteroübergangs(SH)-Laser und Doppelheteroübergangs(SH)-Laser. Massenübergangslaser (DH).

Halbleiterlaser mit einem einzelnen Heteroübergang. Abbildung 2.6 zeigt die Struktur eines einzelnen Heteroübergangslasers (GaAs-P-Ga_1-xAl_xAs) und ein schematisches Diagramm der Energiebandänderung, der Brechungsindexänderung und der Lichtintensitätsverteilung jedes Bereichs. Es ist ersichtlich, dass nach Zugabe des heterogenen Materials GaAs-P-Ga_1-xAl_xWas die P-GaAs-Seite betrifft, bewirkt die Grenzflächen-Elektronenenergiebarriere, dass die von N-GaAs in P-GaAs injizierten Elektronen nur in der P-Zone beschränkt werden können, um zu rekombinieren und Photonen zu erzeugen. Wegen der Brechungsindexänderung an der Grenzfläche von P-GaAs und P-Ga_1-xAl_xDie durch die Rekombination im aktiven Bereich erzeugten Photonen werden reflektiert und in der P-GaAs-Schicht eingeschlossen.

Der Einschlusseffekt des Heteroübergangs auf Elektronen und Photonen verringert deren Verlust, so dass die Schwellenstromdichte des Einzel-Heteroübergangs-Lasers bei Raumtemperatur auf 8 KA/cm . reduziert wird².

Bei einer einzelnen Laserquelle mit Heteroübergang spielt der Heteroübergang eine Rolle bei der Begrenzung der Diffusion von Ladungsträgern, wird jedoch nicht zur Injektion verwendet, daher wird der Wert von x im Allgemeinen relativ groß gewählt, z. B. 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.

Halbleiterlaserquelle mit doppeltem Heteroübergang. Flüssigphasenepitaxie wurde verwendet, um sequentiell N-Ga&spplus;_1-xAl_xAs, P-GaAs, P-Ga_1-xAl_xAs, As-Einkristall-Dünnschichten auf dem N-GaAs-Dorfboden. Es gibt N-Ga_1-xAl_xAs, als Schichten und P-Ga_1-xAl_xAls Schichten auf beiden Seiten des aktiven Bereichs P-GaAs, die N-Ga . bilden_1-xAl_xAs /P-GaAs und P-GaAs/P-Ga_1-xAl_xAls zwei Heteroübergänge von N-Ga_1-xAl_xAs und P-Ga_1-xAl_xWie in Abbildung 2.7 gezeigt.

Abbildung 2.8 zeigt das Energieband, den Brechungsindex und die Lichtintensitätsverteilung eines Doppelheteroübergangslasers. Der aktive Bereich P-GaAs ist zwischen zwei Ga . mit großer Bandlücke eingebettet_1-xAl_xAls Schichten. Für diese Struktur ist sie aufgrund ihrer Symmetrie nicht mehr nur auf die Elektroneninjektion beschränkt. Die Doppelheteroübergangsstruktur ermöglicht eine effektive Nutzung sowohl der Elektroneninjektion als auch der Lochinjektion. Wenn die Breite des aktiven Gebiets kleiner als die Diffusionslänge der Ladungsträger ist, können die meisten Ladungsträger vor der Rekombination in das aktive Gebiet diffundieren. Wenn sie den Heteroübergang erreichen, werden sie von der Potentialbarriere abgestoßen und bleiben im aktiven Bereich. Wenn die Dicke d des aktiven Gebiets viel kleiner ist als die Diffusionslänge der Ladungsträger, füllen die Ladungsträger das aktive Gebiet gleichmäßig aus. Bei dieser Art von Laser erfolgt die Rekombination nahezu gleichmäßig im aktiven Bereich.

Da beide Seiten des aktiven Bereichs Breitbandmaterialien sind, springt der effektive Brechungsindex in der Hierarchie, so dass die Photonen im aktiven Bereich eingeschlossen sind und auch die Verteilung des Lichtfeldes symmetrisch ist. Der Doppelheteroübergang kann die Ladungsträger und Photonen effektiv begrenzen, so dass die Schwellenstromdichte des Lasers deutlich reduziert wird und der kontinuierliche Betrieb des Lasers bei Raumtemperatur realisiert wird.

Nachdem der Doppelheteroübergangslaser einen kontinuierlichen Betrieb bei Raumtemperatur erreicht hat, besteht das herausragende Problem darin, die Lebensdauer der Vorrichtung zu verbessern, was mit der Lösung des Problems der aktiven Flächenstruktur und der Wärmeableitung beginnen kann. Bei den unterschiedlichen Anforderungen gibt es mehrere Strukturen von Doppelheteroübergangslasern, der typischere ist der Stab-Doppelheteroübergangs-(DH)-Laser. In GaAs/Ga_1-xAl_xBei DH-Lasern entspricht die Bandlücke von GaAs einer Laserwellenlänge von etwa 0,89 µm. InP/InGaAsP DH-Laser decken einen Bereich von 0,92~1,65чm ab. Da der geringste Verlust von Glasfasern 1,3~1,6чm beträgt, haben InP/InGaAsP-DH-Laser wichtige Anwendungen für Glasfaser-Langstreckenkommunikationssysteme, während GaAs/Ga_1-xAl_xAls DH-Laser werden häufig in optischen Faserkommunikationssystemen für kurze Entfernungen verwendet.

YAG-Festkörperlaser

Der Kern der Laseremission ist die Laserarbeitssubstanz (d. h. die Arbeitssubstanz, die das metastabile Energieniveau enthält) im Laser, die die Besetzungsinversion realisieren kann, wie z Laser bzw. Glaslaser. Üblicherweise werden diese beiden Lasertypen zusammenfassend als Festkörperlaser bezeichnet. Unter den Lasern war der Festkörperlaser der erste, der sich entwickelt hat. Diese Art von Laser hat eine geringe Größe, eine hohe Ausgangsleistung und eine bequeme Anwendung. Es gibt drei Hauptwerkstoffe für Festkörperlaser; Neodym-dotierter Yttrium-Aluminium-Granat (Nd: YAG) mit einer Ausgangswellenlänge von 1,06 &mgr;m, der weiß und blau ist; Neodym-Glas mit einer Ausgangswellenlänge von 1,06 m, das ist violett-blau; Rubin, die Ausgangswellenlänge beträgt 0,694 чm, was rot ist.

YAG-Laser sind die gebräuchlichste Art von Festkörperlasern. YAG-Laser kamen später als Rubin- und Neodym-Glaslaser auf den Markt. 1964 wurden YAG-Kristalle erfolgreich entwickelt. Nach mehreren Jahren harter Arbeit wurden die optischen und physikalischen Eigenschaften von YAG-Kristallmaterialien kontinuierlich verbessert und der Herstellungsprozess von großen YAG-Kristallen überwunden. Bis 1971 konnten großformatige Nd:YAG-Kristalle mit einem Durchmesser von 40 mm und einer Länge von 200 mm gezogen werden, was hochwertige Kristalle zu moderaten Kosten für die Entwicklung von YAG-Lasern lieferte und die Entwicklung des YAG . förderte Laser.

In den 1970er Jahren führte die Entwicklung von Lasern zu einem Aufschwung in der Forschung und Anwendung von YAG-Lasern. Forschungseinrichtungen in vielen industriell entwickelten Ländern investierten viel Personal und finanzielle Ressourcen, um zu untersuchen, wie die Effizienz, Leistung und Zuverlässigkeit von YAG-Lasern verbessert und technische Probleme gelöst werden können. Einige Anwendungsergebnisse wurden in den Bereichen Laserentfernung, Laserradar, industrielle Laserbearbeitung und medizinische Laserbehandlung erzielt. Zum Beispiel wurde das YAG Laser Precision Tracking Radar (PATS-System) 1971 von der Silvania Company aus den USA erfolgreich im Raketenmessbereich eingesetzt. In den 1980er Jahren wurden die Forschung und Anwendung von YAG-Lasern ausgereift und traten in eine Zeit der schnellen Entwicklung ein, die zum Hauptstrom der Entwicklung und Anwendung verschiedener Laser wurde.

Die Struktur des YAG-Lasers

Im Allgemeinen bezieht sich der YAG-Laser auf den Nd: YAG-Laser dotiert mit dreiwertigem Nd³⁺ im Yttrium-Aluminium-Granat (YAG)-Kristall. Er emittiert eine Nahinfrarot-Laserquelle von 1,06 µm und ist ein Festkörperlaser, der bei Raumtemperatur kontinuierlich arbeiten kann. Bei den gepulsten Lasern kleiner und mittlerer Leistung werden Nd:YAG-Laser derzeit in weitaus größeren Mengen als andere Laser verwendet. Die von diesem Laser emittierte Einzelpulsleistung kann 107 W oder mehr erreichen, wodurch Materialien mit extrem hohen Geschwindigkeiten bearbeitet werden können. YAG-Laser haben hohe Energie, hohe Spitzenleistung, kompakte Struktur, Festigkeit und Haltbarkeit, zuverlässige Leistung, sichere Verarbeitung, einfache Steuerung usw. Eigenschaften, die in der Industrie, der Landesverteidigung, der medizinischen Behandlung, der wissenschaftlichen Forschung und anderen Bereichen weit verbreitet sind. Nd: YAG-Kristall hat ausgezeichnete thermische Eigenschaften und ist sehr geeignet für die Herstellung von kontinuierlichen und repetitiven Laservorrichtungen.

Der YAG-Laser umfasst einen YAG-Laserquellenstab, eine Xenonlampe, einen Kondensatorhohlraum, einen Q-Schalter, einen Polarisator, einen Gesamtspiegel, eine Halbrückkopplung usw., die Struktur ist in Abbildung 2.9 dargestellt

Das Arbeitsmedium des mikrooptischen YAG-Geräts ist Nd: YAG-Stab, die Seiten sind aufgeraut, die beiden Enden zu einer Ebene geschliffen und die Antireflexbeschichtung ist plattiert. Der Frequenzverdopplungskristall verwendet einen Kalium-Tetany-Oxid (KTP)-Kristall mit einer Antireflexbeschichtung auf beiden Seiten. Der Laserspektroskopie-Resonator verwendet einen plankonkaven stabilen Resonator, die Resonatorlänge beträgt 530 mm und der Krümmungsradius des plankonkaven Gesamtspiegels beträgt 2 m. Bitte verwenden Sie Quarzlinsen mit hoher Transmission und hoher Reflexion für den Galvanometerspiegel, und die Modulationsfrequenz des Q-Switch-Geräts ist einstellbar.

Die Laserresonanzkavität ist eine gefaltete Kavität mit drei Spiegeln und einer Spektrallinienresonanz von 1,3 mm, einschließlich zweier Halbleiterlaser-Pumpmodule, jedes Modul besteht aus 20 W Dauerstrich-Halbleiterlaser-Arrays (LD) mit einer Mittenwellenlänge von 808 nm Spektrallinienbreite Weniger als 3 nm, der Laserkristall ist 3 mm × 75 mm Nd: YAG, die Dotierungskonzentration beträgt 1,01 TP1 T und ein 1,319 nm Laser-90°-Quarzrotator wird zwischen den beiden LD-Pumpmodulen eingefügt, um den thermisch induzierten Doppelbrechungseffekt zu kompensieren .

Die stabilen Bereiche des Resonanzhohlraums des radial polarisierten Lichts und des radial polarisierten Lichts überlappen einander, was vorteilhaft ist, um die Ausgangsleistung zu erhöhen und die Strahlqualität zu verbessern. Der akustooptische Q-Schalter mit hohem Beugungsverlust wird verwendet, um einen gütegeschalteten Impulsausgang zu erzeugen, und die Wiederholungsfrequenz kann im Bereich von 1 ~ 50 kHz eingestellt werden. Der konstruierte Resonanzhohlraum erzeugt einen echten Fokus auf den gefalteten Arm, um die Leistungsdichte zu erhöhen, was für die nichtlineare Frequenzumwandlung von Vorteil ist.

Plano Spiegel M₁ ist beschichtet mit 1319nm, 659. 4nm Doppel-Hochreflexionsfoliensystem, Plankonkavspiegel M₂ ist ein Auskoppelspiegel und plankonkaver Spiegel M₃ ist 1319 nm, 659 nm, 440 nm Drei-Wellenlängen-Hochreflexionsfilm. Da die Spektrallinienintensität des Nd:YAG-Kristalls von 1064 nm dreimal so groß ist wie die Wellenlänge von 1319 nm, ist die M₁, M₂, M₃, erfordert das Design von Resonatorspiegeln, dass die Durchlässigkeit der Wellenlänge von 1064 nm größer als 60% ist, was sehr wichtig ist, um die 1064-nm-Laseroszillation zu unterdrücken. von.

Um die Einfügedämpfung in der Kavität zu reduzieren, sollten alle Komponenten in der Kavität mit einer Antireflexbeschichtung versehen werden. Der Halbleiterlaser fügt keine formgebenden Maßnahmen oder optische Abbildungskomponenten hinzu und der Nd:YAG-Kristall wird aus den benachbarten 120°-Richtungen gepumpt. Durch Optimierung der Pumpparameter kann ein relativ gleichmäßiges und Gauß-ähnliches Verstärkungsprofil erhalten werden. Diese Konstruktion ist einfach, kompakt und praktisch und kann besser an die Eigenmode des Resonators angepasst werden, was vorteilhaft ist, um die Energieextraktionseffizienz und Strahlqualität zu verbessern.

Da Lithium-Tribemate-Kristall (LBO) eine hohe Schadensschwelle, eine geringe Absorption von Grundfrequenzlicht und ein frequenzverdoppeltes Licht aufweist, kann es eine 1319-nm-Doppelfrequenz- und Dreifachfrequenz-Phasenanpassung erreichen und hat die Vorteile geeigneter effektiver nichtlinearer Koeffizienten, also wählen Sie zwei LBO-Kristalle werden als Kristalle für die hohlrauminterne Frequenzverdopplung und die hohlrauminterne Summenfrequenz verwendet.

Ausgangscharakteristik des YAG-Lasers

• Lampengepumpter Nd:YAG-Laser. Die Struktur ist in Abbildung 2.10 und Abbildung 2.11 dargestellt. Das Verstärkungsmedium Nd:YAG ist stabförmig und wird oft auf der Brennlinie des Doppelzuckerkreisreflexionskondensatorhohlraums platziert. Die beiden Pumplampen befinden sich auf den beiden äußeren Brennlinien der Doppelellipse und das Kühlwasser strömt zwischen Pumplampe und Laserstab mit einer Glasrohrhülse.
• Bei Hochleistungslasern begrenzt der thermische Effekt des Laserstabs die maximale Ausgangsleistung jedes Laserstabs. Die Hitze im Inneren des Laserstabes und die Abkühlung der Oberfläche des Laserstabes bewirken den Temperaturgradienten des Kristalls, so dass die maximale Leistung der Pumpe geringer sein muss, um Schäden zu verursachen. Die Stressgrenze. Der effektive Leistungsbereich eines Einstab-Nd:YAG-Lasers beträgt 50~800W. Nd:YAG-Laser mit höherer Leistung können durch Reihenschaltung von Nd:YAG-Laserstäben erhalten werden.
• Diodengepumpter Nd:YAG-Laser. Der Aufbau eines diodengepumpten Nd:YAG-Lasers ist in Abbildung 2.12 dargestellt, als Pumplichtquelle dient ein GaAlAs-Halbleiterlaser.
• Die Verwendung eines Halbleiterlasers als Pumpquelle erhöht die Lebensdauer der Komponenten und macht den regelmäßigen Austausch der Pumplampe beim Lampenpumpen überflüssig. Der diodengepumpte Nd:YAG-Laser hat eine höhere Zuverlässigkeit und längere Arbeitszeit.
• Die hohe Konversionseffizienz des diodengepumpten Nd:YAG-Lasers beruht auf der guten spektralen Übereinstimmung zwischen dem Emissionsspektrum des Halbleiterlasers und der Absorption von Nd:YAG. GaAIAs-Halbleiterlaser emittiert eine schmalbandige Wellenlänge. Durch genaues Einstellen des Al-Gehalts kann es Licht bei 808 nm emittieren, was im Absorptionsband von Nd . liegt³⁺ Partikel. Die elektrooptische Umwandlungseffizienz von Halbleiterlasern beträgt ungefähr 40%-50%, was der Grund dafür ist, dass diodengepumptes Nd; YAG-Laser können eine Konversionseffizienz von mehr als 10% erreichen. Während die Lampe zu weißem Licht angeregt wird, absorbiert der Nd:YAG-Kristall nur einen kleinen Teil des Spektrums, was zu seiner geringen Effizienz führt.

Faserlaser

Klassifizierung von Faserlasern

Faserlaser sind Laser, die optische Fasern als Laserquellenmedium verwenden. Nach dem Anreizmechanismus lässt er sich in die folgenden vier Kategorien einteilen.

• Seltenerd-dotierte Faserlaserquelle, durch Dotieren verschiedener Seltenerd-Ionen in das Fasermatrixmaterial, um die Laserleistung des erforderlichen Wellenlängenbandes zu erhalten.
• Faserlaser, die unter Verwendung der nichtlinearen Effekte von Fasern hergestellt werden, wie stimulierte Raman-Streuung (SRS) usw.
• Einkristall-Faserlaser, einschließlich Rubin-Einkristall-Faserlaser, Nd: YAG-Einzelprodukt-Faserlaser usw.
• Faserlaser färben, indem der Kunststoffkern oder die Ummantelung mit Farbstoff gefüllt wird, um eine Laserleistung zu erzielen.

Unter diesen Arten von Faserlasern sind mit Seltenerd-Ionen dotierte Faserlaser und Verstärker die wichtigsten und werden am schnellsten entwickelt. Sie wurden in den Bereichen Faserkommunikation, Fasersensorik und Lasermaterialbearbeitung, dieser Art von Lasern, eingesetzt.

Wellenleiterprinzip des Faserlasers

Der geometrische Aufbau einer einschichtigen Faserlaserquelle ist in Abbildung 2.13 dargestellt. Faserlaser weisen im Vergleich zu Festkörperlaserquellen mindestens einen im Laserresonator ausgebildeten freien Strahlengang auf, und die Strahlformung und -einleitung in Faserlaser wird in Lichtwellenleitern realisiert. Im Allgemeinen basieren diese optischen Wellenleiter auf seltenerddotierten optoelektronischen dielektrischen Materialien. Beispielsweise weisen Silizium-, Phosphatglas- und Fluoridglas-Materialien eine Dämpfung von etwa 10 dB/km auf, was um mehrere Größenordnungen geringer ist als bei Festkörperlaserkristallen. Im Vergleich zu kristallinen Feststoffen zeigen die Absorptions- und Emissionsbanden von Seltenerd-Ionen ein verbreitertes Spektrum. Denn die Wechselwirkung des Glassubstrats reduziert die Frequenzstabilität und die erforderliche Breite der Pumplichtquelle. Daher ist es notwendig, eine Laserdioden-Pumpquelle mit einer geeigneten Wellenlänge für Faserlaser zu wählen.

Die Glasfaser enthält einen mit Seltenerdmetallen dotierten aktiven Kern mit einem Brechungsindex von n₁, normalerweise von einer Schicht aus reinem Quarzglas umgeben, und der Brechungsindex der Ummantelung ist n₂<n₁. Daher wird aufgrund der Totalreflexion innerhalb der Grenzfläche zwischen Kern und Mantel der Wellenleiter in der Kernschicht erzeugt. Für Pumpstrahlung und Laserstrahlung ist die Kernschicht des Faserlasers sowohl ein aktives Medium als auch ein Wellenleiter. Der gesamte Lichtwellenleiter wird durch eine Polymer-Außenschicht vor äußeren Einflüssen geschützt.

Bei optisch angeregten Faserlasern wird die Pumpstrahlung durch die Faseroberfläche in den Laserkern eingekoppelt. Wird sie jedoch axial gepumpt, muss die Pumpstrahlung in einen Wellenleiter von nur wenigen Mikrometern eingekoppelt werden. Daher muss eine hochtransparente Pumpstrahlungsquelle verwendet werden, um die Multimode-Faser anzuregen, und die aktuelle Ausgangsleistung der Strahlungsquelle ist auf etwa 1 W begrenzt. Um die Pumpleistung proportional zu verstärken, müssen die Strahlparameter der Faser mit großer Öffnung an das Hochleistungs-Halbleiterlaser-Array angepasst werden. Der vergrößerte aktive Faserkern ermöglicht jedoch höhere Transversalmodenoszillationen, was zu einer verringerten Strahlqualität führt. Gegenwärtig wird ein Doppelmantel-Design verwendet, d. h. eine isolierte Kernschicht wird verwendet, um Laser zu pumpen und zu emittieren, und es können gute Ergebnisse erzielt werden.

Doppelmantel-Faserlaser

Doppelmantel-dotierte Faser besteht aus vier Teilen: Kern, Innenmantel, Außenmantel und Schutzschicht.

Die Funktion des Faserkerns besteht darin, das ankommende Pumplicht zu absorbieren und das abgestrahlte Laserlicht im Kern einzuschließen; als Wellenleiter, begrenzen das Laserlicht, um es im Kern zu übertragen und den Modus zu steuern.

Die Rolle der inneren Mantelschicht besteht darin, den Kern zu umhüllen und das abgestrahlte Laserlicht innerhalb des Kerns einzuschließen; als Wellenleiter bewirkt die Multimode-Übertragung des Pumplichts, das an die innere Mantelschicht gekoppelt ist, es zwischen der inneren Mantelschicht und der äußeren Mantelschicht hin und her zu reflektieren. Durch den Singlemode-Faserkern gehen und absorbiert werden

Bei Doppelmantel-Faserlasern wird die Pumpstrahlung nicht direkt in die aktive Kernschicht emittiert, sondern in die umgebende Multimode-Kernschicht. Die Pumpkernschicht ist auch wie die Mantelschicht. Um die Lichtwellenleitereigenschaften der Pumpkernschicht bis zur aktiven Kernschicht zu realisieren, muss die umgebende Beschichtung einen kleinen Brechungsindex aufweisen. Üblicherweise wird fluordotiertes Quarzglas oder ein hochtransparentes Polymer mit niedrigem Brechungsindex verwendet. Der typische Durchmesser des Pumpenkerns beträgt mehrere hundert Mikrometer und seine numerische Apertur NA≈0.32~0.7, wie in Abbildung 2.14 gezeigt.

Die zum Pumpkern emittierte Strahlung wird über die gesamte Länge der Faser in den Laserkern eingekoppelt, wo sie von den Seltenerd-Ionen absorbiert und das gesamte High-Level-Licht angeregt wird. Mit dieser Technologie lässt sich Multimode-Pumpstrahlung von Hochleistungs-Halbleiterlasern effektiv in Laserstrahlung umwandeln und weist eine hervorragende Strahlqualität auf.

Technische Eigenschaften der Faserlaserquelle

Faserlaser bieten die Möglichkeit, die Begrenzung der kalibrierten Ausgangsleistung von Festkörperlasern bei gleichbleibender Strahlqualität zu überwinden. Die Qualität des endgültigen Laserstrahls hängt vom Brechungsindexprofil der Faser ab, und das Brechungsindexprofil der Faser hängt letztendlich von der geometrischen Größe und der numerischen Apertur des aktivierten Wellenleiters ab. Wenn sich die Grundmode ausbreitet, hat die Laserschwingung nichts mit externen Faktoren zu tun. Das bedeutet, dass Faserlaser im Vergleich zu anderen (auch halbleitergepumpten) Festkörperlasern keine thermooptischen Effekte aufweisen.

Der durch Wärme verursachte Prismeneffekt und der durch Druck verursachte Doppelbrechungseffekt in der aktiven Zone führen zu einer Verschlechterung der Strahlqualität. Beim Transport der Pumpenergie beobachtet der Faserlaser auch bei hoher Leistung keinen Wirkungsgradabfall.

Bei einer Faserlaserquelle wird sich die durch den Pumpprozess verursachte thermische Belastung auf einen längeren Bereich ausdehnen. Aufgrund des größeren Oberflächen-Volumen-Verhältnisses ist der thermische Effekt leichter zu eliminieren. Daher ist der Temperaturanstieg des Faserlaserkerns im Vergleich zu Festhalbleiter-Pumplasern gering. Daher wird im Betrieb des Lasers die Quanteneffizienz aufgrund der steigenden Temperatur geschwächt, was bei Faserlasern eine untergeordnete Rolle spielt.

Zusammengenommen haben Faserlaserquellen die folgenden Hauptvorteile.

• Die optische Faser als geführtes Wellenmedium hat eine hohe Kopplungseffizienz, einen kleinen Kerndurchmesser, eine hohe Leistungsdichte wird leicht im Kern gebildet und kann leicht effizient an das aktuelle Glasfaser-Kommunikationssystem angeschlossen werden, und der gebildete Laser hat eine hohe Umwandlungseffizienz und einen niedrigen Laserschwelle., Die Qualität des Ausgangsstrahls ist gut und die Linienbreite ist schmal.
• Da die Glasfaser ein großes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen hat, ist die Wärmeableitung gut und die Umgebungstemperatur darf zwischen -20 bis +70 ° C liegen, ohne ein riesiges Wasserkühlungssystem, nur einfache Luftkühlung.
• Es kann in rauen Umgebungen wie starken Stößen, starken Vibrationen, hohen Temperaturen und staubigen Bedingungen eingesetzt werden.
• Da der Lichtwellenleiter eine ausgezeichnete Flexibilität aufweist, kann der Laser klein und flexibel, kompakt im Aussehen, einfach in das System integrierbar und kostengünstig gestaltet werden.
• Hat ziemlich viele einstellbare Parameter und Selektivität. Beispielsweise wird ein Bragg-Fasergitter mit geeigneter Wellenlänge und Durchlässigkeit direkt auf beide Enden einer Doppelmantelfaser geschrieben, um den durch Spiegelreflexion gebildeten Resonanzhohlraum zu ersetzen. Der Vollfaser-Raman-Laser besteht aus einem unidirektionalen Faserring, einem kreisförmigen Wellenleiterhohlraum. Das Signal in der Kavität wird ohne Besetzungsinversion direkt durch das Pumplicht verstärkt.