O que é o ressonador a laser?

Tempo estimado de leitura: 37 minuto

O instrumento que produz a fonte de luz do laser é chamado de ressonador de laser, que inclui laser de gás, laser líquido, laser de estado sólido, dispositivo óptico semicondutor e outros lasers. Entre eles, os lasers mais típicos são CO₂ lasers de gás, lasers de semicondutores, lasers de estado sólido YAG e lasers de fibra.

Composição básica e desenvolvimento de laser

A composição básica do laser

Embora existam muitos tipos de lasers, todos eles produzem lasers por meio de excitação e radiação estimulada. Portanto, a composição básica dos lasers é fixa, geralmente composta de materiais de trabalho (ou seja, meio de trabalho que pode produzir inversão de população após ser excitado), fontes de excitação (a energia que pode fazer com que a substância de trabalho inverta o número de partículas, também conhecida como a fonte da bomba) e a cavidade ressonante óptica são compostas por três partes.

Substância de trabalho

A produção do laser deve escolher um material de trabalho adequado, que pode ser gás, líquido, sólido ou semicondutor. Nesse meio, o número de partículas pode ser revertido para criar as condições necessárias para a obtenção de luz laser. A existência de níveis de energia metaestáveis é muito benéfica para a realização da inversão populacional. Existem quase mil tipos de materiais de trabalho e os comprimentos de onda do laser que podem ser gerados cobrem uma ampla gama de bandas de ultravioleta de vácuo a bandas de infravermelho distante.

Fonte de excitação

Para reverter o número de partículas na substância ativa, um certo método deve ser adotado para excitar o sistema de partículas e aumentar o número de partículas em altos níveis de energia. O método de descarga de gás pode usar elétrons com energia cinética para excitar a substância ativa, o que é chamado de excitação elétrica; a fonte de luz pulsada também pode ser usada para irradiar a substância ativa para produzir excitação, que é chamada de excitação óptica; há excitação térmica, excitação química e assim por diante. Vários métodos de incentivo são nitidamente chamados de bombeamento ou bombeamento. Para obter continuamente a saída do laser, ele deve ser bombeado continuamente para manter o número de partículas no estado excitado.

Cavidade ótica

Com um material de trabalho adequado e fonte de excitação, a inversão da população pode ser alcançada, mas a intensidade da radiação estimulada gerada desta forma é muito baixa e não pode ser aplicada. Então, as pessoas pensaram que uma cavidade ressonante óptica poderia ser usada para amplificar a radiação estimulada. A cavidade ressonante ótica é composta por dois espelhos com uma determinada forma geométrica e características óticas de reflexão combinadas de maneira específica. Suas principais funções são as seguintes.

Fornece capacidade de feedback óptico para fazer os fótons de emissão estimulados irem para frente e para trás na cavidade várias vezes para formar uma oscilação contínua coerente.

Limite a direção e a frequência do feixe oscilante na cavidade para garantir que o laser de saída tenha uma certa direcionalidade e monocromática.

O desenvolvimento de lasers

O laser é um dos componentes essenciais indispensáveis nos modernos sistemas de processamento a laser. Com o desenvolvimento da tecnologia de processamento a laser, os lasers também estão em constante evolução e muitos novos lasers surgiram.

Os primeiros lasers de processamento de fonte de laser eram principalmente de CO de alta potência₂, lasers de gás e lasers de estado sólido YAG bombeados por lâmpada. Do ponto de vista da história do desenvolvimento da tecnologia de processamento a laser, o CO de alta capacidade₂ e lasers que apareceram em meados da década de 1970 desenvolveram CO resfriado por difusão₂ lasers. A Tabela 2.1 mostra o status de desenvolvimento de CO₂ lasers.

Tipo de laser	Tipo selado	Tipo de fluxo axial lento	Tipo de fluxo cruzado	Tipo de fluxo axial rápido	Turbo fan Fluxo axial rápido	Resfriamento por difusão tipo SLAB
Idade de aparência	Meados de 1970	Início dos anos 1980	Meados de 1980	Final da década de 1980	Início de 1990	Século 20, meados dos anos 90
Power / W	500	1000	20000	5000	10000	5000
Qualidade do feixe (M2 fator	Instável	1.5	10	5	2.5	1.2
Qualidade do feixe (Kf/ mm • mrad)	Instável	5	35	17	9	4.5

CO inicial₂ os lasers tendiam a se desenvolver no sentido de aumentar a potência do laser, mas quando a potência do laser atingiu um determinado requisito, a qualidade do feixe do laser foi atentada e o desenvolvimento do laser mudou para melhorar a qualidade do feixe. Recentemente, a placa de CO resfriada por difusão₂ O laser, que está próximo do limite de difração, tem boa qualidade de feixe e tem sido amplamente utilizado depois de lançado, principalmente na área de corte a laser, sendo preferido por muitas empresas.

O CO₂ O ressonador a laser tem as desvantagens de grande volume, estrutura complexa e difícil manutenção. O metal não consegue absorver bem o laser com comprimento de onda de 10,6 μm, não pode usar fibra ótica para transmitir o laser e o plasma induzido pelo tempo de soldagem é sério e tem outras deficiências. Mais tarde, o laser de estado sólido YAG com um comprimento de onda de 1,06 чm compensou as deficiências do CO₂ laser até certo ponto. Os primeiros lasers de estado sólido YAG usavam métodos de bombeamento de lâmpada, que apresentavam problemas como baixa eficiência do laser (cerca de 3%) e má qualidade do feixe. Com o avanço contínuo da tecnologia de laser, os lasers de estado sólido YAG continuaram a progredir e muitos novos lasers apareceram. O status de desenvolvimento dos lasers de estado sólido YAG é mostrado na Tabela 2.2.

Tipo de laser	Lâmpada bombeada	Diodo bombeado	Fibra bombeada	Flake DISC	Semicondutor com bomba final	laser de fibra
Idade de aparência	Década de 1980	Final da década de 1980	Meados da década de 1990	Meados da década de 1990	Final da década de 1990	Início do século 21
Power / W	6000	4400	2000	4000 （protótipo）	200	10000
Qualidade do feixe (M2 fator)	70	35	35	7	1.1	70
Qualidade do feixe (Kf/ mm • mard)	25	12	12	2.5	0.35	25

Pode-se observar na Tabela 2.1 e na Tabela 2.2 que, além de melhorar continuamente a potência do laser, outro aspecto importante do desenvolvimento do laser é melhorar continuamente a qualidade do feixe do laser. A qualidade do feixe de laser geralmente desempenha um papel mais importante no processo de processamento do laser do que a potência do laser.

O desenvolvimento da fabricação de laser com laser a potência e a qualidade do feixe são mostradas na Figura 2.1.

No início do século 21, outro novo tipo de laser semicondutor a laser apareceu. Comparado com CO tradicional de alta potência₂ lasers ressonador e YAG lasers de estado sólido, lasers semicondutores têm vantagens técnicas óbvias, como tamanho pequeno, leve, alta eficiência, baixo consumo de energia, longa vida e alta taxa de absorção de metal para lasers semicondutores. Com o desenvolvimento contínuo da tecnologia de laser semicondutor, outros lasers de estado sólido baseados em lasers de semicondutores, como lasers de fibra, lasers de estado sólido bombeados por semicondutor e lasers de folha, desenvolveram-se rapidamente. Entre eles, os lasers de fibra estão se desenvolvendo rapidamente, especialmente os lasers de fibra dopada com terras raras, que têm sido amplamente utilizados em comunicações por fibra, sensoriamento de fibra, processamento de material a laser e outros campos.

De CO₂ laser de gás para laser de fibra

CO₂ laser de gás

Um laser que usa CO₂ como a principal substância de trabalho é chamada de CO₂ laser. Uma pequena quantidade de N² e Ele precisa ser adicionado à sua substância de trabalho para melhorar o ganho, a eficiência da resistência ao calor e a potência de saída do laser. CO₂ o laser tem as seguintes características.

• A potência de saída é grande. O CO geral de tubo fechado₂ O laser pode ter uma potência de saída contínua de dezenas de watts, que é muito mais do que outros lasers de gás. O fluxo lateral de CO eletricamente excitado₂ o laser pode ter uma produção contínua de dezenas de quilowatts.
• Alta eficiência de conversão de energia. A eficiência de conversão de energia do CO₂ lasers podem atingir 30% ~ 40%, o que excede outros lasers de gás.
• O CO₂ laser usa a transição entre os níveis de energia do CO₂ vibração molecular e tem um espectro relativamente rico. Existem dezenas de linhas de espectro na saída do laser perto do comprimento de onda de 10 чm. O CO de alta pressão₂ o laser desenvolvido nos últimos anos pode alcançar uma saída continuamente ajustável de 9 a 10 чm.
• A banda de saída do CO₂ laser é exatamente a janela atmosférica (ou seja, a transparência da atmosfera para este comprimento de onda é relativamente alta)
• Além disso, CO₂ os lasers também têm as vantagens de qualidade de feixe de alta saída, boa coerência, largura de linha estreita, operação estável, etc., por isso têm sido amplamente usados na indústria e na defesa nacional.

A estrutura do CO₂ laser

Um típico CO longitudinal vedado eletricamente excitado₂ laser O ressonador consiste em um tubo de laser, eletrodos e uma cavidade ressonante (Figura 2.2). O componente mais crítico é um tubo de laser feito de vidro duro, que geralmente adota uma estrutura de manga em camadas. A camada mais interna é um tubo de descarga, a segunda camada é um tubo de revestimento resfriado a água e a camada mais externa é um tubo de armazenamento de gás.

O tubo de descarga está localizado na área da coluna positiva da descarga luminescente na descarga de gás. Essa região é rica em partículas transportadoras de energia, como elétrons, íons, partículas metaestáveis ​​e fótons, que é a região de ganho do laser. Por esse motivo, existem certos requisitos para o diâmetro, comprimento, circularidade e retidão do tubo de descarga. A maioria dos equipamentos abaixo de 100 W é feita de vidro duro. Dispositivos de média potência (100 ~ 500W) são geralmente feitos de tubos de vidro de quartzo para garantir a estabilidade de potência ou frequência. O diâmetro do tubo é geralmente de cerca de 10 mm e o comprimento do tubo pode ser ligeiramente mais espesso.

Há uma camisa de água fria próxima ao tubo de descarga, sua função é reduzir a temperatura do gás de trabalho no tubo, para garantir que o dispositivo realize a distribuição de inversão da população e evitar que o tubo de descarga seja aquecido e rachado durante o processo de excitação de descarga. O objetivo de adicionar um invólucro resfriado a água é resfriar o ar e o gás para que a potência de saída permaneça estável. O tubo de descarga é conectado ao tubo de armazenamento de gás em ambas as extremidades. Uma extremidade do tubo de armazenamento de gás tem um pequeno orifício que se comunica com o tubo de descarga e a outra extremidade é conectada ao tubo de descarga através do tubo de retorno em espiral para que o gás possa circular no tubo de descarga e no tubo de armazenamento de gás. O gás no tubo pode ser trocado com o gás no tubo de armazenamento de gás a qualquer momento.

A função do tubo de armazenamento de gás mais externo é reduzir a alteração da composição e pressão do gás de trabalho durante o processo de descarga e aumentar a estabilidade mecânica do tubo de descarga.

O tubo de retorno de ar é um tubo fino em espiral que conecta os dois espaços do cátodo e do ânodo, o que pode melhorar a distribuição desequilibrada da pressão entre os eletrodos causada pelo fenômeno da eletroforese. O valor do diâmetro e comprimento do tubo de retorno é muito importante. Ele não apenas permite que o gás no cátodo flua rapidamente para a área do ânodo para obter uma distribuição uniforme do gás, mas também evita o fenômeno de descarga no tubo de retorno.

Os eletrodos são divididos em ânodo e cátodo. O material do cátodo requer a capacidade de emitir elétrons, uma baixa taxa de pulverização catódica e a capacidade de reduzir o CO₂. Atualmente, a maior parte do CO₂ e os ressonadores a laser usam eletrodos de níquel, e a área do eletrodo é determinada pelo diâmetro interno do tubo de descarga e pela corrente de trabalho. A eletrodeposição é coaxial com o tubo de descarga. O tamanho do ânodo pode ser igual ao do cátodo ou pode ser ligeiramente menor.

A cavidade ressonante é composta por um espelho total e um espelho de saída. Os espelhos de reflexão total de CO de média e baixa potência₂ O ressonador de lasers geralmente usa espelhos de vidro banhados a ouro, porque o filme de ouro tem uma alta refletividade de 10,6 чm de luz e é quimicamente estável. No entanto, os espelhos de substrato de vidro têm baixa condutividade térmica, portanto, o CO de alta potência₂ lasers geralmente usam espelhos de metal, como espelhos de cobre ou espelhos de molibdênio, ou espelhos revestidos com ouro e filme dielétrico em um substrato de aço inoxidável de cobre sem oxigênio polido. O espelho de saída geralmente usa um material que pode transmitir um comprimento de onda de 10,6um como substrato, e um filme multicamadas é revestido nele para controlar uma certa transmitância para obter a melhor saída de acoplamento. Os materiais comumente usados são cloreto de potássio, cloreto de sódio, alumínio, arsênio, seleneto de zinco, telureto de cádmio e assim por diante.

A cavidade ressonante do CO₂ o laser é geralmente plano e côncavo. O espelho total é feito de vidro ótico K8 ou quartzo ótico, que é processado em um espelho côncavo com um grande raio de curvatura. A superfície do espelho é revestida com um filme de metal de alta refletividade - um filme banhado a ouro, com comprimento de onda de 10,6 m. A refletividade no local chega a 98,8%, e as propriedades químicas são estáveis.

A luz emitida pelo dióxido de carbono é infravermelha, portanto, os espelhos totalmente refletivos precisam usar materiais que transmitam luz infravermelha. Como o vidro óptico comum não é transparente à luz infravermelha, é necessário abrir um pequeno orifício no centro do espelho total e, em seguida, selar um pedaço de material infravermelho que pode transmitir lasers de 10,6 чm para selar o gás, o que torna o laser a cavidade ressonante separada é uma saída do pequeno orifício fora da cavidade para formar um feixe de luz laser ou faca de luz.

A corrente de descarga do CO selado₂ ressonador de laser é relativamente pequeno. O eletrodo frio é usado, e o cátodo é feito de uma folha de molibdênio ou de níquel em uma forma cilíndrica. A corrente de trabalho é 30 ~ 40MA, a área do cilindro catódico é 500cm², para não poluir a lente, uma barreira de luz é adicionada entre o cátodo e a lente. A bomba é estimulada por uma fonte de alimentação contínua DC.

Características de saída de CO₂ sistema de laser

Crossflow CO₂ ressonador a laser. O fluxo de gás é perpendicular ao eixo da cavidade. O CO₂ O laser com esta estrutura tem baixa qualidade de feixe e é usado principalmente para tratamento de superfície de materiais, e geralmente não é usado para corte. Comparado com outro CO₂ lasers, CO de fluxo cruzado₂ lasers têm alta potência de saída, qualidade de feixe baixo e preços baixos.

Cross-flow CO₂ lasers podem usar excitação de corrente contínua (DC) e excitação de alta frequência (HF), e os eletrodos são colocados em ambos os lados da zona de plasma paralelos ao eixo da cavidade. A ignição e a tensão de operação do plasma são baixas, o gás flui através da zona do plasma perpendicular ao feixe e a passagem do gás que flui através do sistema de eletrodo é muito ampla, então a resistência ao fluxo é muito pequena, o resfriamento do o plasma é muito eficaz e o poder do laser não é muito grande. Muitas restrições.

O comprimento desse tipo de laser é inferior a 1m, mas pode gerar 8KW de potência. No entanto, devido ao fluxo lateral de gás através do plasma, este tipo de laser sopra o plasma para longe do circuito de descarga principal, fazendo com que a área do plasma na seção do feixe se desvie mais ou menos em um triângulo, a qualidade do feixe não é alta , e os modos de ordem superior aparecem. Se um furo circular for usado para limitar o modo, a simetria do feixe pode ser melhorada até certo ponto.

Fluxo axial rápido CO₂ ressonador a laser. A estrutura é mostrada na Figura 2.3. O fluxo de gás laser deste tipo de CO₂ o laser está ao longo do eixo do ressonador. A potência de saída do CO₂ o laser com essa estrutura varia de centenas de watts a 20KW. A qualidade do feixe de saída é melhor e é a estrutura principal atualmente usada no corte a laser.

Fluxo axial rápido CO₂ lasers podem usar excitação por corrente contínua (DC) e excitação por radiofrequência (RF). A forma do plasma entre os eletrodos é uma coluna delgada. Para evitar que o plasma se disperse na área circundante, este tipo de área de descarga é geralmente em um tubo de vidro cilíndrico oco ou tubo de cerâmica. O plasma pode ser inflamado e mantido em ambas as extremidades dos dois eletrodos de anel. A tensão de ignição e operação depende do eletrodo. A tensão máxima usada em aplicações práticas é de 20 ~ 30KV.

O resfriamento do gás circulante adota a forma de fluxo axial rápido. A fim de garantir a condução de calor eficaz, sopradores Roots ou ventiladores de roda ajustáveis são comumente usados para atingir esse fluxo de alta velocidade, mas a resistência do fluxo dessa forma geométrica é relativamente alta e a potência do laser de saída está sujeita a certas limitações, como a saída do laser de apenas algumas centenas de watts do excitador DC. A potência de saída do laser é limitada, portanto, vários tubos de descarga de resfriamento de fluxo axial são freqüentemente conectados na forma ótica para fornecer potência de laser suficiente.

Uma vez que a potência de saída do CO₂ O ressonador a laser depende principalmente da entrada de energia elétrica por unidade de volume, a excitação RF é maior do que a excitação DC e a densidade do plasma é maior. O laser de fluxo axial de excitação RF, no qual vários tubos de descarga de resfriamento axial são conectados de forma ótica, contínua. A potência de saída pode chegar a 20KW. CO axial₂ os lasers, devido à simetria axial do plasma, são fáceis de operar no modo fundamental e produzem feixes de alta qualidade.

Resfriamento por difusão tipo ripas CO₂ laser. CO resfriado por difusão₂ lasers são semelhantes ao CO selado cedo₂ lasers. O gás de trabalho do CO selado₂ o laser é colocado em um tubo de descarga e resfriado por condução de calor. Embora a parede externa do tubo de descarga seja efetivamente resfriada, o tubo de descarga pode gerar apenas 50 W de energia do laser por metro e é impossível fazer um laser compacto de alta energia. CO resfriado por difusão₂ os lasers também usam métodos fechados a gás, mas os lasers são estruturas compactas, a descarga de gás excitada por radiofrequência ocorre entre dois eletrodos de cobre com uma área maior. Os eletrodos podem ser resfriados por resfriamento com água, e a estreita lacuna entre os dois eletrodos pode dissipar o calor da cavidade de descarga tanto quanto possível, de modo que uma densidade de potência de saída relativamente alta possa ser obtida.

O CO resfriado por difusão₂ o ressonador a laser adota uma cavidade ressonante estável composta por espelhos cilíndricos. Uma vez que a cavidade opticamente instável pode se adaptar facilmente à geometria do meio de ganho de laser excitado, o CO resfriado por difusão tipo placa₂ o laser pode produzir feixes de laser de alta densidade de potência e a qualidade do feixe de laser Alta, mas o feixe de saída original deste tipo de laser é retangular, e um dispositivo de formação de feixe refletido resfriado a água é necessário para moldar o feixe retangular em um circular feixe de laser simétrico. Atualmente, a faixa de potência de saída deste tipo de laser é de 1 ~ 5KW.

Comparado com o fluxo de gás CO₂ lasers, placa de resfriamento por difusão CO₂ os lasers possuem as características de estrutura compacta e robusta e apresentam uma grande vantagem, ou seja, em aplicações práticas, não precisam ser frescos como o fluxo de gás CO₂ lasers. Gás de trabalho do laser, mas um pequeno recipiente cilíndrico de cerca de 10L é instalado no cabeçote do laser para armazenar o gás de trabalho do laser. Isso pode ser alcançado por meio de um dispositivo externo de fornecimento de gás de trabalho a laser e um trocador de tanque de gás permanente de água. Esse tipo de agência executiva está em funcionamento há mais de um ano.

Um laser semicondutor

O laser semicondutor refere-se a um tipo de laser com semicondutor como seu material de trabalho. Comparado com outros lasers, os lasers semicondutores têm as vantagens de tamanho pequeno, alta eficiência, estrutura simples e robusta e modulação direta. Os lasers semicondutores têm aplicações importantes em comunicações, alcance e processamento de informações.

Fundação de semicondutor

Semicondutores puros sem impurezas são chamados de semicondutores intrínsecos. Se átomos de impureza são dopados em semicondutores intrínsecos, os níveis de impureza são formados abaixo da banda de condução e acima da banda de valência, que são chamados de nível doador e nível aceitador, respectivamente. A Figura 2.4 mostra os níveis de impureza de semicondutores de cristal único de Si.

Os materiais semicondutores são principalmente estruturas cristalinas. Quando um grande número de átomos é regularmente e fortemente combinado em um cristal, os elétrons de valência no cristal estão todos na banda de energia do cristal. Quando um campo elétrico externo é aplicado, os elétrons na banda de valência fazem a transição para a banda de condução e podem se mover livremente na banda de condução para conduzir eletricidade. A perda de um elétron na banda de valência equivale ao aparecimento de um orifício com carga positiva, que também pode conduzir eletricidade sob a ação de um campo elétrico externo. Portanto, os buracos na banda de valência e os elétrons na banda de condução têm um efeito condutor, que é chamado coletivamente de portadores.

Um semicondutor com um nível de doador é chamado de semicondutor do tipo n; um semicondutor com um nível aceitador é chamado de semicondutor do tipo p. Em temperatura ambiente, a maioria dos átomos doadores de semicondutores do tipo n são ionizados por energia térmica e os elétrons são excitados para a banda de condução e se tornam elétrons livres. A maioria dos átomos aceitadores de semicondutores do tipo p capturam elétrons na banda de valência e formam buracos na banda de valência. Portanto, semicondutores do tipo n são conduzidos principalmente por elétrons na banda de condução; Os semicondutores do tipo p são conduzidos principalmente por orifícios na banda de valência.

Em um pedaço de material semicondutor, a mudança repentina da região do tipo p para a região do tipo n é chamada de junção pn. Uma zona de carga espacial é formada na interface. Os elétrons na banda de condução do semicondutor tipo n se difundem para a região p, e os buracos na banda de valência do semicondutor tipo p se difundem para a região n. A região do tipo n próxima à região da junção é carregada positivamente porque é uma doadora, e a região do tipo p próxima à região da junção é carregada negativamente porque é uma aceitadora. Na interface, um campo elétrico direcionado da zona n para a zona p é formado, que é chamado de campo elétrico embutido (ou campo elétrico auto-construído). Este campo elétrico impede a difusão contínua de elétrons e lacunas.

Se uma polarização direta é aplicada ao material semicondutor que forma a junção pn, a área p é conectada ao eletrodo positivo e a área n é conectada ao eletrodo negativo. O campo elétrico da tensão direta é oposto ao campo elétrico embutido da junção pn, o que enfraquece o obstáculo do campo elétrico embutido para a difusão de elétrons no cristal de modo que os elétrons livres na zona n estejam constantemente sob a ação da tensão direta.

Difusão para a região p através da junção pn. Quando há um grande número de elétrons na banda de condução e lacunas na banda de valência ao mesmo tempo na zona de junção, eles se recombinam na zona de injeção. Quando os elétrons da banda de condução fazem a transição para a banda de valência, o excesso de energia é emitido na forma de luz. sair. Esse é o mecanismo da eletroluminescência semicondutora, e essa luminescência de recombinação espontânea é chamada de emissão espontânea.

Para fazer a junção pn gerar luz laser, uma distribuição de inversão de partículas deve ser formada na área de junção, um material semicondutor fortemente dopado deve ser usado e a corrente injetada na junção pn deve ser grande o suficiente (como 30KA / cm²) Desta forma, na área local da junção pn, um estado de distribuição reversa de mais elétrons na banda de condução do que buracos na banda de valência pode ser formado, gerando radiação estimulada e emitindo luz laser.

A cavidade ressonante óptica de um ressonador a laser semicondutor é composta por um plano de clivagem (110 faces) perpendicular ao plano de junção pn. Ele tem uma refletividade de 35%, o que é suficiente para causar oscilação do laser. Se for necessário aumentar a refletividade, uma camada de SiO₂ pode ser banhado na superfície do cristal e, em seguida, uma camada de filme de prata metálica pode ser banhada para obter uma refletividade de mais de 95%.

Uma vez que uma polarização direta é aplicada ao laser semicondutor, a inversão da população ocorre na área de junção e a recombinação ocorre.

Condições para emissão estimulada por semicondutor

Os lasers semicondutores funcionam injetando portadoras, e os lasers emissores devem atender às três condições básicas a seguir.

• É necessário produzir distribuição de inversão populacional suficiente, ou seja, o número de partículas no estado de alta energia é suficientemente maior do que o número de partículas no estado de baixa energia.
• Existe uma cavidade ressonante adequada que pode desempenhar um papel de feedback de modo que os fótons da radiação estimulada se proliferem para produzir oscilação do laser.
• Uma certa condição de limite deve ser satisfeita para tornar o ganho do fóton igual ou maior que a perda do fóton.

Laser semicondutor homojunção tipo injeção

O ressonador a laser semicondutor de GaAs homojunção tipo injeção é o primeiro laser semicondutor a ser desenvolvido com sucesso. A junção homogênea se refere a uma junção pn composta de semicondutores do tipo p e do tipo n do mesmo material de matriz (como GaAs), e o tipo de injeção se refere a um método de bombeamento que energiza diretamente o laser semicondutor e injeta corrente para excitar a substância de trabalho .

A Figura 2.5 (a) mostra a estrutura de aparência típica deste laser. Há uma pequena janela no invólucro do tubo para a saída do laser e o eletrodo na extremidade inferior do tubo é usado para a fonte de alimentação externa. Dentro da concha está a matriz do laser, conforme mostrado na Figura 2.5 (b). Existem muitas formas de matriz, a Figura 2.5 (c) é um diagrama esquemático da estrutura da matriz em forma de mesa. A espessura da junção pn é de apenas dezenas de mícrons. Geralmente, uma fina camada de GaAs tipo p é cultivada na parte inferior da aldeia GaAs tipo n para formar a junção pn.

A cavidade ressonante do laser geralmente utiliza diretamente duas faces de extremidade perpendiculares à junção pn. O índice de refração de GaAs é 3,6, e a refletividade da luz perpendicular à superfície final é 32%. Para aumentar a potência de saída e reduzir a corrente de operação, uma das superfícies reflexivas é geralmente banhada a ouro.

Laser semicondutor heterojunção

Estudos têm mostrado que é difícil para os lasers de semicondutores homojunção obterem correntes de baixo limiar e alcançar operação contínua em temperatura ambiente. Portanto, as pessoas desenvolveram lasers de heterojunção com base nisso. Os lasers de heterojunção também são lasers de heterojunção única (SH) e lasers de heterojunção dupla (SH). Laser de junção de massa (DH).

Laser semicondutor de heterojunção simples. A Figura 2.6 mostra a estrutura de um único laser de heterojunção (GaAs-P-Ga_1-xAl_xAs) e um diagrama esquemático da mudança de banda de energia, mudança de índice de refração e distribuição de intensidade de luz de cada região. Pode-se ver que após a adição do material heterogêneo GaAs-P-Ga_1-xAl_xQuanto ao lado P-GaAs, a barreira de energia de elétrons da interface faz com que os elétrons injetados em P-GaAs a partir de N-GaAs só possam ser confinados na zona P para recombinar e gerar fótons. Por causa da mudança do índice de refração na interface de P-GaAs e P-Ga_1-xAl_xAs, os fótons gerados pela recombinação na área ativa são refletidos e confinados na camada P-GaAs.

O efeito de confinamento da heterojunção em elétrons e fótons reduz sua perda de modo que a densidade de corrente de limiar do laser de heterojunção única à temperatura ambiente é reduzida para 8KA / cm².

Em uma única fonte de laser de heterojunção, a heterojunção desempenha um papel na limitação da difusão de portadores, mas não é usada para injeção, então o valor de x é geralmente escolhido para ser relativamente grande, como 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.

Fonte de laser semicondutor de dupla heterojunção. A epitaxia de fase líquida foi usada para cultivar sequencialmente N-Ga_1-xAl_xAs, P-GaAs, P-Ga_1-xAl_xAs, As camadas finas de cristal único no fundo da vila de N-GaAs. Existem N- Ga_1-xAl_xAs, as camadas e P- Ga_1-xAl_xComo camadas em ambos os lados da área ativa P-GaAs, formando N-Ga_1-xAl_xAs / P-GaAs e P-GaAs / P-Ga_1-xAl_xComo duas heterojunções de N-Ga_1-xAl_xAs e P-Ga_1-xAl_xConforme mostrado na Figura 2.7.

A Figura 2.8 mostra a banda de energia, o índice de refração e a distribuição da intensidade da luz de um laser de dupla heterojunção. A região ativa P-GaAs é ensanduichada entre duas gamas de banda larga_1-xAl_xComo camadas. Para essa estrutura, devido à sua simetria, ela não se limita mais apenas à injeção de elétrons. A estrutura de dupla heterojunção permite que a injeção de elétrons e a injeção de orifício sejam efetivamente utilizadas. Se a largura da região ativa for menor do que o comprimento de difusão dos portadores, a maioria dos portadores pode se difundir para a região ativa antes da recombinação. Ao atingirem a heterojunção, são repelidos pela barreira potencial e permanecem na região ativa. Se a espessura d da região ativa for muito menor do que o comprimento de difusão dos portadores, os portadores preencherão uniformemente a região ativa. Para este tipo de laser, a recombinação ocorre quase uniformemente na região ativa.

Como os dois lados da área ativa são materiais de banda larga, o índice de refração efetivo salta na hierarquia, de modo que os fótons ficam confinados na área ativa e a distribuição do campo de luz também é simétrica. A dupla heterojunção pode limitar efetivamente os portadores e fótons, de modo que a densidade de corrente de limiar do laser é significativamente reduzida e a operação contínua do laser em temperatura ambiente é realizada.

Depois que o laser de dupla heterojunção atinge operação contínua em temperatura ambiente, o problema pendente é como melhorar a vida útil do dispositivo, que pode começar resolvendo o problema da estrutura da área ativa e dissipação de calor. Com os diferentes requisitos, existem múltiplas estruturas de lasers de dupla heterojunção, a mais típica é o laser de dupla heterojunção (DH). Em GaAs / Ga_1-xAl_xComo lasers DH, o bandgap de GaAs corresponde a um comprimento de onda de laser de cerca de 0,89um. Os lasers InP / InGaAsP DH cobrem uma faixa de 0,92 ~ 1,65 m. Como a menor perda de fibra óptica é de 1,3 ~ 1,6 m, os lasers InP / InGaAsP DH têm aplicações importantes para sistemas de comunicação de fibra óptica de longa distância, enquanto GaAs / Ga_1-xAl_xComo os lasers DH são freqüentemente usados em sistemas de comunicação de fibra óptica de curta distância.

Laser de estado sólido YAG

O núcleo da emissão do laser é a substância de trabalho do laser (ou seja, a substância de trabalho que contém o nível de energia metaestável) no laser que pode realizar a inversão da população, como o laser cuja substância de trabalho é cristalina ou de vidro, que é chamado de cristal laser e laser de vidro, respectivamente. Normalmente, esses dois tipos de lasers são chamados coletivamente de lasers de estado sólido. Entre os lasers, o laser de estado sólido foi o primeiro a se desenvolver. Esse tipo de laser tem um tamanho pequeno, alta potência de saída e aplicação conveniente. Existem três materiais de trabalho principais para lasers de estado sólido; granada ítrio alumínio dopada com neodímio (Nd: YAG), com um comprimento de onda de saída de 1,06 чm, que é branco e azul; vidro de neodímio, com comprimento de onda de saída de 1,06 чm, que é roxo-azulado; rubi, o comprimento de onda de saída é 0,694 μm, que é vermelho.

Os lasers YAG são o tipo mais comum de lasers de estado sólido. Os lasers YAG saíram mais tarde do que os lasers de vidro de rubi e neodímio. Em 1964, os cristais YAG foram desenvolvidos com sucesso. Após vários anos de trabalho árduo, as propriedades ópticas e físicas dos materiais de cristal YAG foram continuamente aprimoradas e o processo de preparação de cristais YAG de grande porte foi superado. Em 1971, cristais Nd: YAG de tamanho grande com um diâmetro de 40 mm e um comprimento de 200 mm puderam ser desenhados, o que forneceu cristais de alta qualidade a um custo moderado para o desenvolvimento de lasers YAG e promoveu o desenvolvimento do YAG lasers.

Na década de 1970, o desenvolvimento de lasers deu início a um aumento na pesquisa e aplicação de lasers YAG. Instituições de pesquisa em muitos países industrialmente desenvolvidos investiram muitos recursos humanos e financeiros para estudar como melhorar a eficiência, potência e confiabilidade dos lasers YAG e resolver problemas de engenharia. Alguns resultados de aplicação foram alcançados nas áreas de alcance do laser, radar a laser, processamento industrial a laser e tratamento médico a laser. Por exemplo, o YAG Laser Precision Tracking Radar (sistema PATS) foi usado com sucesso na faixa de medição de mísseis em 1971 pela Silvania Company dos Estados Unidos. Na década de 1980, a pesquisa e a aplicação de lasers YAG amadureceram e entraram em um período de rápido desenvolvimento, tornando-se a corrente principal do desenvolvimento e aplicação de vários lasers.

A estrutura do laser YAG

De um modo geral, o laser YAG refere-se ao laser Nd: YAG dopado com Nd trivalente³⁺ no cristal de granada de ítrio-alumínio (YAG). Ele emite uma fonte de laser infravermelho próximo de 1,06 чm e é um laser de estado sólido que pode funcionar continuamente em temperatura ambiente. Nos lasers pulsados de pequena e média potência, os lasers Nd: YAG são usados em quantidades muito maiores do que outros lasers. A potência de pulso único emitida por este laser pode atingir 107 W ou mais, o que pode processar materiais em velocidades extremamente altas. Os lasers YAG têm alta energia, alta potência de pico, estrutura compacta, firmeza e durabilidade, desempenho confiável, processamento seguro, controle simples, etc. Características, é amplamente utilizado na indústria, defesa nacional, tratamento médico, pesquisa científica e outros campos. O cristal Nd: YAG tem excelentes propriedades térmicas e é muito adequado para fazer dispositivos a laser contínuos e repetitivos.

O laser YAG inclui haste de fonte de laser YAG, lâmpada de xenônio, cavidade do condensador, interruptor Q, polarizador, espelho total, semi-feedback, etc., a estrutura é mostrada na Figura 2.9

O meio de trabalho do dispositivo micro-óptico YAG é a haste Nd: YAG, os lados são rugosos, as duas extremidades são retificadas em um plano e o revestimento anti-reflexo é revestido. O cristal de duplicação de frequência adota cristal de óxido de tetania de potássio (KTP) com revestimento anti-reflexo em ambos os lados. A cavidade de espectroscopia a laser adota uma cavidade plano-côncava estável, o comprimento da cavidade é de 530 mm e o raio de curvatura do espelho plano-côncavo total é de 2 m. Use lentes de quartzo de alta transmitância e alta reflexão para o espelho do galvanômetro e a frequência de modulação do dispositivo Q switch é ajustável.

A cavidade ressonante do laser é uma cavidade dobrada de três espelhos com ressonância de linha espectral de 1,3 mm, incluindo dois módulos de bomba de laser semicondutor, cada módulo é composto por matrizes de laser semicondutor (LD) de onda contínua de 20 W com um comprimento de onda central de 808 nm e o total largura da linha espectral menor que 3 nm, o cristal do laser é 3 mm × 75 mm Nd: YAG, a concentração de dopagem é 1,0% e um laser de 1,319 nm rotador de quartzo de 90 ° é inserido entre os dois módulos da bomba LD para compensar o efeito de birrefringência induzido termicamente .

As áreas estáveis da cavidade ressonante da luz radialmente polarizada e da luz radialmente polarizada se sobrepõem, o que é benéfico para aumentar a potência de saída e melhorar a qualidade do feixe. O interruptor acústico-óptico Q com alta perda de difração é usado para gerar saída de pulso Q comutado, e a frequência de repetição pode ser ajustada na faixa de 1 ~ 50kHz. A cavidade ressonante projetada produz um foco real no braço dobrado para aumentar a densidade de potência, o que é benéfico para a conversão de frequência não linear.

Plano espelho M₁ é revestido com 1319nm, 659. Sistema de filme duplo de alta reflexão 4nm, espelho plano-côncavo M₂ é um espelho de acoplamento de saída e espelho plano-côncavo M₃ é um filme de alta reflexão de 1319 nm, 659 nm e 440 nm de três comprimentos de onda. Como a intensidade da linha espectral de 1064 nm do cristal Nd: YAG é três vezes maior que o comprimento de onda de 1319 nm, o valor M₁, M₂, M₃, o design do espelho de cavidade requer que a transmitância do comprimento de onda de 1064 nm seja maior que 60%, o que é muito importante para suprimir a oscilação do laser de 1064 nm. do.

A fim de reduzir a perda de inserção na cavidade, todos os componentes da cavidade devem ser revestidos com um revestimento anti-reflexo. O laser semicondutor não adiciona medidas de modelagem ou componentes de imagem ótica, e o cristal Nd: YAG é bombeado das direções adjacentes de 120 °. Ao otimizar os parâmetros de bombeamento, um perfil de ganho relativamente uniforme e semelhante ao de Gauss pode ser obtido. Este projeto é simples, compacto e prático e pode ser melhor combinado com o modo próprio do ressonador, o que é benéfico para melhorar a eficiência de extração de energia e a qualidade do feixe.

Como o cristal tribemate de lítio (LBO) tem um alto limite de danos, baixa absorção de luz de frequência fundamental e luz de frequência dupla, ele pode alcançar 1319 nm de dupla frequência e correspondência de fase de tripla frequência e tem as vantagens de coeficientes não lineares eficazes adequados, então escolha dois Os cristais LBO são usados como cristais para duplicação da frequência intracavitária e frequência de soma intracavitária.

Características de saída do laser YAG

• Laser Nd: YAG bombeado por lâmpada. A estrutura é mostrada na Figura 2.10 e na Figura 2.11. O meio de ganho Nd: YAG é em forma de bastonete e geralmente é colocado na linha focal da cavidade do condensador de reflexão de círculo de açúcar duplo. As duas lâmpadas da bomba estão localizadas nas duas linhas focais externas da elipse dupla e a água de resfriamento flui entre a lâmpada da bomba e a haste do laser com uma luva de tubo de vidro.
• Em lasers de alta potência, o efeito térmico da barra de laser limita a potência máxima de saída de cada barra de laser. O calor dentro da haste do laser e o resfriamento da superfície da haste do laser causam o gradiente de temperatura do cristal de forma que a potência máxima da bomba deve ser menor do que para causar danos. O limite de estresse. A faixa de potência efetiva de um laser Nd: YAG de haste única é de 50 ~ 800W. Lasers de Nd: YAG de maior potência podem ser obtidos conectando hastes de laser Nd: YAG em série.
• Laser Nd: YAG com bombeamento de diodo. A estrutura de um laser Nd: YAG com bombeamento de diodo é mostrada na Figura 2.12, e um laser semicondutor GaAlAs é usado como a fonte de luz da bomba.
• Usar um laser semicondutor como fonte da bomba aumenta a vida útil dos componentes e elimina a necessidade de substituição regular da lâmpada da bomba ao usar o bombeamento da lâmpada. O laser Nd: YAG com bombeamento de diodo tem maior confiabilidade e maior tempo de trabalho.
• A alta eficiência de conversão do laser Nd: YAG com bombeamento de diodo vem do bom casamento espectral entre o espectro de emissão do laser semicondutor e a absorção de Nd: YAG. O laser semicondutor GaAIAs emite um comprimento de onda de banda estreita. Ao ajustar com precisão o conteúdo de Al, ele pode emitir luz a 808 nm, que está na banda de absorção de Nd³⁺ partículas. A eficiência de conversão eletro-óptica dos lasers semicondutores é de aproximadamente 40%-50%, razão pela qual o Nd bombeado com diodo; Os lasers YAG podem atingir uma eficiência de conversão de mais de 10%. Enquanto a lâmpada está excitada para produzir luz branca, o cristal Nd: YAG absorve apenas uma pequena parte do espectro, o que leva à sua baixa eficiência.

Laser de fibra

Classificação dos lasers de fibra

Lasers de fibra são lasers que usam fibras ópticas como meio de origem do laser. De acordo com o mecanismo de incentivo, ele pode ser dividido nas quatro categorias a seguir.

• Fonte de laser de fibra dopada com terras raras, por meio de dopagem de íons de terras raras diferentes no material da matriz de fibra para obter a saída do laser da banda de comprimento de onda necessária.
• Lasers de fibra feitos usando os efeitos não lineares das fibras, como espalhamento Raman estimulado (SRS), etc.
• Lasers de fibra de cristal único, incluindo lasers de fibra de cristal único de rubi, lasers de fibra de produto único Nd: YAG, etc.
• Laser de fibra de tinta, preenchendo o núcleo de plástico ou revestimento com tinta para realizar a saída do laser.

Dentre esses tipos de lasers de fibra, lasers de fibra e amplificadores dopados com íons de terras raras são os mais importantes e de desenvolvimento mais rápido. Eles têm sido aplicados nas áreas de comunicação por fibra, sensor de fibra e processamento de material a laser, este tipo de laser.

Princípio de guia de onda do laser de fibra

A estrutura geométrica de uma fonte de laser de fibra de camada única é mostrada na Figura 2.13. Em comparação com a fonte de lasers de estado sólido, os lasers de fibra têm pelo menos um caminho de feixe livre formado no ressonador de laser e a formação e introdução do feixe em lasers de fibra são realizadas em guias de ondas ópticas. Geralmente, esses guias de onda ópticos são baseados em materiais dielétricos optoeletrônicos dopados com terras raras. Por exemplo, materiais de silício, vidro de fosfato e vidro de fluoreto mostram uma atenuação de cerca de 10 dB / km, que é várias ordens de magnitude menor do que os cristais de laser de estado sólido. Em comparação com materiais sólidos cristalinos, as bandas de absorção e emissão de íons de terras raras mostram um espectro ampliado. Isso ocorre porque a interação do substrato de vidro reduz a estabilidade de frequência e a largura necessária da fonte de luz da bomba. Portanto, é necessário escolher uma fonte de bomba de diodo laser com um comprimento de onda adequado para lasers de fibra.

A fibra óptica contém um núcleo ativo dopado com terras raras com um índice de refração de n₁, geralmente cercado por uma camada de revestimento de vidro de sílica pura, e o índice de refração do revestimento é n₂<n₁. Portanto, com base na reflexão total dentro da interface entre o núcleo e o revestimento, o guia de ondas é gerado na camada de núcleo. Para radiação de bomba e radiação de laser, a camada central do laser de fibra é um meio ativo e um guia de onda. Toda a fibra óptica é protegida de influências externas por uma camada externa de polímero.

Para lasers de fibra opticamente excitados, a radiação da bomba é acoplada ao núcleo do laser através da superfície da fibra. No entanto, se for bombeada axialmente, a radiação da bomba deve ser acoplada a um guia de ondas de apenas alguns mícrons. Portanto, uma fonte de radiação de bomba altamente transparente deve ser usada para excitar a fibra multimodo e a potência de saída de corrente da fonte de radiação é limitada a cerca de 1W. Para amplificar a potência da bomba proporcionalmente, é necessário combinar os parâmetros do feixe da fibra de grande abertura com o arranjo de laser semicondutor de alta potência. No entanto, o núcleo ativo de fibra ampliado permite maiores oscilações de modo transversal, o que resultará em qualidade de feixe reduzida. Atualmente, utiliza-se um projeto de duplo revestimento, ou seja, uma camada de núcleo isolada é utilizada para bombear e emitir lasers, podendo-se obter bons resultados.

Laser de fibra de dupla camada

A fibra dopada de duplo revestimento consiste em quatro partes: núcleo, revestimento interno, revestimento externo e camada protetora.

A função do núcleo da fibra é absorver a luz da bomba de entrada e confinar a luz do laser irradiado no núcleo; como um guia de ondas, confine a luz do laser para transmitir no núcleo e controlar o modo.

A função da camada de revestimento interna é envolver o núcleo e confinar a luz laser irradiada dentro do núcleo; como um guia de onda, a transmissão multimodo da luz de bomba acoplada à camada de revestimento interna faz com que ela se reflita para frente e para trás entre a camada de revestimento interna e a camada de revestimento externa. Passe através do núcleo de fibra monomodo e seja absorvido

Para lasers de fibra de dupla camada, a radiação da bomba não é emitida diretamente para a camada de núcleo ativa, mas para a camada de núcleo multimodo circundante. A camada central da bomba também é semelhante à camada de revestimento. A fim de realizar as características do guia de onda óptico da camada de núcleo da bomba para a camada de núcleo ativa, o revestimento circundante deve ter um pequeno índice de refração. Normalmente, é usado vidro de sílica dopado com flúor ou um polímero altamente transparente com baixo índice de refração. O diâmetro típico do núcleo da bomba é de várias centenas de mícrons e sua abertura numérica NA≈0,32 ~ 0,7, conforme mostrado na Figura 2.14.

A radiação emitida para o núcleo da bomba é acoplada ao núcleo do laser em todo o comprimento da fibra, onde é absorvida pelos íons de terras raras e toda a luz de alto nível é excitada. Usando esta tecnologia, a radiação da bomba multimodo pode ser convertida de forma eficaz de lasers semicondutores de alta potência em radiação laser e tem excelente qualidade de feixe.

Características técnicas da fonte de laser de fibra

Os lasers de fibra oferecem a possibilidade de superar a limitação da potência de saída calibrada dos lasers de estado sólido, mantendo a qualidade do feixe. A qualidade do feixe de laser final depende do perfil do índice de refração da fibra, e o perfil do índice de refração da fibra depende, em última análise, do tamanho geométrico e da abertura numérica do guia de onda ativado. Quando o modo fundamental é propagado, a oscilação do laser nada tem a ver com fatores externos. Isso significa que, em comparação com outros lasers de estado sólido (mesmo com bombeamento de semicondutor), os lasers de fibra não têm efeitos termo-ópticos.

O efeito de prisma causado pelo calor e o efeito de birrefringência causado pela pressão na zona ativa farão com que a qualidade do feixe diminua. Quando a energia da bomba é transportada, o laser de fibra não observa diminuição da eficiência mesmo em alta potência.

Para fonte de laser de fibra, a carga térmica causada pelo processo de bombeamento se expandirá para uma área mais longa. Devido à maior proporção entre a área de superfície e o volume, o efeito térmico é mais fácil de eliminar. Portanto, o aumento de temperatura do núcleo do laser de fibra é pequeno em comparação com os lasers de bomba de semicondutor sólido. Portanto, quando o laser está funcionando, a eficiência quântica é atenuada devido ao aumento da temperatura, que desempenha um papel secundário nos lasers de fibra.

Em conjunto, as fontes de lasers de fibra apresentam as seguintes vantagens principais.

• A fibra ótica como meio de onda guiada tem alta eficiência de acoplamento, diâmetro de núcleo pequeno, alta densidade de potência é facilmente formada no núcleo e pode ser facilmente conectada ao sistema de comunicação de fibra ótica atual de forma eficiente, e o laser formado tem alta eficiência de conversão e baixa limiar do laser., A qualidade do feixe de saída é boa e a largura da linha é estreita.
• Como a fibra óptica tem uma grande relação superfície-volume, o efeito de dissipação de calor é bom e a temperatura ambiente pode estar entre -20 ~ + 70 ℃, sem um grande sistema de resfriamento de água, apenas resfriamento de ar simples.
• Ele pode funcionar em ambientes adversos, como alto impacto, alta vibração, alta temperatura e condições de poeira.
• Como a fibra óptica tem excelente flexibilidade, o laser pode ser projetado para ser pequeno e flexível, compacto na aparência, fácil de integrar ao sistema e econômico.
• Tem muitos parâmetros ajustáveis e seletividade. Por exemplo, uma grade de fibra de Bragg com comprimento de onda e transmitância apropriados é gravada diretamente em ambas as extremidades de uma fibra de revestimento duplo para substituir a cavidade ressonante formada pela reflexão de espelho. O laser Raman totalmente em fibra é composto por um anel de fibra unidirecional, uma cavidade de guia de onda circular. O sinal na cavidade é amplificado diretamente pela luz da bomba sem inversão de população.