เลเซอร์เรโซเนเตอร์คืออะไร?

เวลาอ่านโดยประมาณ: 37 นาที

เครื่องมือที่ผลิตแสงจากแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์เรียกว่าเลเซอร์เรโซเนเตอร์ ซึ่งรวมถึงเลเซอร์ก๊าซ เลเซอร์เหลว เลเซอร์โซลิดสเตต อุปกรณ์ออปติคัลเซมิคอนดักเตอร์ และเลเซอร์อื่นๆ ในหมู่พวกเขาเลเซอร์ทั่วไปมากขึ้นคือCO₂ เลเซอร์ก๊าซ เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ เลเซอร์โซลิดสเตต YAG และไฟเบอร์เลเซอร์

องค์ประกอบพื้นฐานและการพัฒนาของเลเซอร์

องค์ประกอบพื้นฐานของเลเซอร์

แม้ว่าจะมีเลเซอร์หลายชนิด แต่พวกมันทั้งหมดผลิตเลเซอร์ผ่านการกระตุ้นและการแผ่รังสีที่ถูกกระตุ้น ดังนั้นองค์ประกอบพื้นฐานของเลเซอร์จึงได้รับการแก้ไข มักจะประกอบด้วยวัสดุการทำงาน (นั่นคือสื่อการทำงานที่สามารถสร้างการผกผันของประชากรหลังจากถูกกระตุ้น) แหล่งกระตุ้น (พลังงานที่สามารถทำให้สารทำงานพลิกจำนวนอนุภาคได้เช่นกัน เรียกว่าแหล่งกำเนิดปั๊ม) และช่องเรโซแนนซ์แสงประกอบด้วยสามส่วน

สารทำงาน

การผลิตเลเซอร์ต้องเลือกวัสดุทำงานที่เหมาะสม อาจเป็นแก๊ส ของเหลว ของแข็ง หรือเซมิคอนดักเตอร์ ในสื่อนี้ จำนวนอนุภาคสามารถย้อนกลับเพื่อสร้างเงื่อนไขที่จำเป็นสำหรับการรับแสงเลเซอร์ การมีอยู่ของระดับพลังงานที่แพร่กระจายได้นั้นเป็นประโยชน์อย่างมากต่อการทำให้เกิดการผกผันของประชากร มีวัสดุทำงานเกือบพันชนิดและความยาวคลื่นเลเซอร์ที่สามารถสร้างได้ครอบคลุมช่วงกว้างของแถบอัลตราไวโอเลตสุญญากาศไปจนถึงแถบอินฟราเรดไกล

แหล่งกระตุ้น

เพื่อที่จะทำให้จำนวนอนุภาคในสารทำงานกลับกัน ต้องใช้วิธีการบางอย่างเพื่อกระตุ้นระบบอนุภาคและเพิ่มจำนวนอนุภาคที่ระดับพลังงานสูง วิธีการปล่อยก๊าซสามารถใช้อิเล็กตรอนที่มีพลังงานจลน์กระตุ้นสารทำงานซึ่งเรียกว่าการกระตุ้นด้วยไฟฟ้า แหล่งกำเนิดแสงพัลส์ยังสามารถใช้ในการฉายรังสีสารทำงานเพื่อสร้างแรงกระตุ้นซึ่งเรียกว่าการกระตุ้นด้วยแสง มีการกระตุ้นด้วยความร้อน การกระตุ้นด้วยสารเคมี เป็นต้น วิธีการจูงใจต่างๆ เรียกว่าการปั๊มหรือการปั๊ม เพื่อให้ได้เอาต์พุตเลเซอร์อย่างต่อเนื่อง จะต้องปั๊มอย่างต่อเนื่องเพื่อรักษาจำนวนอนุภาคในสถานะตื่นเต้น

ช่องแสง

ด้วยวัสดุการทำงานที่เหมาะสมและแหล่งกระตุ้น ทำให้เกิดการผกผันของประชากรได้ แต่ความเข้มของรังสีที่ถูกกระตุ้นที่เกิดขึ้นในลักษณะนี้จะต่ำมากและไม่สามารถนำมาใช้ได้ ดังนั้นผู้คนจึงคิดว่าสามารถใช้ช่องเรโซแนนซ์แสงเพื่อขยายรังสีที่ถูกกระตุ้นได้ ช่องเรโซแนนซ์ออปติคัลประกอบด้วยกระจกสองบานที่มีรูปทรงเรขาคณิตและลักษณะการสะท้อนแสงแบบออปติคัลรวมกันในลักษณะเฉพาะ หน้าที่หลักมีดังนี้

ให้ความสามารถในการป้อนกลับด้วยแสงเพื่อทำให้โฟตอนการปลดปล่อยที่ถูกกระตุ้นกลับไปกลับมาในโพรงหลายครั้งเพื่อสร้างการสั่นอย่างต่อเนื่องที่ต่อเนื่องกัน

จำกัดทิศทางและความถี่ของลำแสงที่สั่นในโพรงเพื่อให้แน่ใจว่าเลเซอร์เอาท์พุตมีทิศทางและเอกรงค์ที่แน่นอน

พัฒนาการของเลเซอร์

เลเซอร์เป็นหนึ่งในองค์ประกอบหลักที่ขาดไม่ได้ในระบบการประมวลผลด้วยเลเซอร์ที่ทันสมัย ด้วยการพัฒนาเทคโนโลยีการประมวลผลด้วยเลเซอร์ เลเซอร์ยังก้าวไปข้างหน้าอย่างต่อเนื่องและมีเลเซอร์ใหม่ๆ ปรากฏขึ้นมากมาย

เลเซอร์ในการประมวลผลแหล่งเลเซอร์ในยุคแรกๆ ส่วนใหญ่เป็น CO . กำลังสูง₂, เลเซอร์แก๊ส และเลเซอร์โซลิดสเตต YAG ที่สูบด้วยหลอดไฟ จากมุมมองของประวัติศาสตร์การพัฒนาเทคโนโลยีการประมวลผลด้วยเลเซอร์ CO . ที่มีฝาปิดสูง₂ และเลเซอร์ที่ปรากฏในช่วงกลางทศวรรษ 1970 ได้พัฒนา CO . ที่ระบายความร้อนด้วยการแพร่₂ เลเซอร์ ตารางที่ 2.1 แสดงสถานะการพัฒนา CO₂ เลเซอร์

ประเภทเลเซอร์	ชนิดปิดผนึก	ชนิดไหลตามแนวแกนช้า	ประเภทการไหลข้าม	ชนิดไหลตามแนวแกนเร็ว	พัดลมเทอร์โบ ไหลตามแนวแกนเร็ว	แบบกระจายความเย็น SLAB
อายุของรูปลักษณ์	กลางปี 1970	ต้นทศวรรษ 1980	กลางทศวรรษ 1980	ปลายทศวรรษ 1980	ต้นปี 1990	ศตวรรษที่ 20 กลางทศวรรษ 90
กำลัง/W	500	1000	20000	5000	10000	5000
คุณภาพลำแสง (M2 ปัจจัย	ไม่เสถียร	1.5	10	5	2.5	1.2
คุณภาพลำแสง (KNS/mm• mrad)	ไม่เสถียร	5	35	17	9	4.5

ต้นCO₂ เลเซอร์มีแนวโน้มที่จะพัฒนาไปในทิศทางของการเพิ่มกำลังแสงเลเซอร์ แต่เมื่อพลังงานเลเซอร์ถึงความต้องการบางอย่าง คุณภาพของลำแสงของเลเซอร์ก็ให้ความสนใจ และการพัฒนาของเลเซอร์ก็เปลี่ยนไปเพื่อปรับปรุงคุณภาพของลำแสง เมื่อเร็ว ๆ นี้แผ่นพื้นระบายความร้อนด้วยการแพร่กระจายCO₂ เลเซอร์ซึ่งใกล้กับขีดจำกัดการเลี้ยวเบน มีคุณภาพลำแสงที่ดีและมีการใช้กันอย่างแพร่หลายเมื่อเปิดตัว โดยเฉพาะอย่างยิ่งในด้านการตัดด้วยเลเซอร์ และเป็นที่ชื่นชอบของหลายบริษัท

CO₂ เครื่องสะท้อนเสียงเลเซอร์มีข้อเสียของปริมาณมาก โครงสร้างที่ซับซ้อน และการบำรุงรักษาที่ยาก โลหะไม่สามารถดูดซับเลเซอร์ที่มีความยาวคลื่น 10.6чm ได้ดี ไม่สามารถใช้ใยแก้วนำแสงเพื่อส่งเลเซอร์ได้ และพลาสมาที่เกิดจากเวลาในการเชื่อมนั้นร้ายแรงและมีข้อบกพร่องอื่นๆ ต่อมาเลเซอร์โซลิดสเตต YAG ที่มีความยาวคลื่น 1.06 чm ประกอบขึ้นจากข้อบกพร่องของ CO₂ เลเซอร์ในระดับหนึ่ง เลเซอร์โซลิดสเตต YAG รุ่นแรกๆ ใช้วิธีการปั๊มหลอดไฟ ซึ่งมีปัญหา เช่น ประสิทธิภาพเลเซอร์ต่ำ (ประมาณ 3%) และคุณภาพของลำแสงไม่ดี ด้วยความก้าวหน้าอย่างต่อเนื่องของเทคโนโลยีเลเซอร์ เลเซอร์โซลิดสเตต YAG ยังคงมีความก้าวหน้าอย่างต่อเนื่อง และมีเลเซอร์ใหม่จำนวนมากปรากฏขึ้น สถานะการพัฒนาของเลเซอร์โซลิดสเตต YAG แสดงไว้ในตารางที่ 2.2

ประเภทเลเซอร์	โคมไฟสูบ	ไดโอดสูบ	ไฟเบอร์ปั๊ม	แผ่นเกล็ด	เซมิคอนดักเตอร์ปลายปั๊ม	ไฟเบอร์เลเซอร์
อายุของรูปลักษณ์	ทศวรรษ 1980	ปลายทศวรรษ 1980	กลางปี 1990	กลางปี 1990	ปลายทศวรรษ 1990	ต้นศตวรรษที่ 21
กำลัง/W	6000	4400	2000	4000 (ต้นแบบ)	200	10000
คุณภาพลำแสง (M2 ปัจจัย)	70	35	35	7	1.1	70
คุณภาพลำแสง (KNS/mm• มาร์ด)	25	12	12	2.5	0.35	25

จากตารางที่ 2.1 และตารางที่ 2.2 จะเห็นได้ว่านอกจากการปรับปรุงกำลังของเลเซอร์อย่างต่อเนื่องแล้ว สิ่งสำคัญอีกประการหนึ่งของการพัฒนาเลเซอร์ก็คือการปรับปรุงคุณภาพลำแสงของเลเซอร์อย่างต่อเนื่อง คุณภาพของลำแสงเลเซอร์มักจะมีบทบาทสำคัญในกระบวนการประมวลผลด้วยเลเซอร์มากกว่ากำลังแสงเลเซอร์

การพัฒนาการผลิตเลเซอร์ด้วย เลเซอร์ คุณภาพของกำลังและลำแสงแสดงในรูปที่ 2.1

ในตอนต้นของศตวรรษที่ 21 เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ชนิดใหม่ปรากฏขึ้นอีกประเภทหนึ่ง เมื่อเทียบกับCO .กำลังสูงแบบเดิม₂ เลเซอร์เรโซเนเตอร์และเลเซอร์โซลิดสเตต YAG เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์มีข้อดีทางเทคนิคที่ชัดเจน เช่น ขนาดเล็ก น้ำหนักเบา ประสิทธิภาพสูง ใช้พลังงานต่ำ อายุการใช้งานยาวนาน และอัตราการดูดซึมสูงของโลหะไปยังเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ ด้วยการพัฒนาอย่างต่อเนื่องของเทคโนโลยีเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ เลเซอร์โซลิดสเตตอื่นๆ ที่ใช้เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ เช่น ไฟเบอร์เลเซอร์ เลเซอร์โซลิดสเตตที่ปั๊มเซมิคอนดักเตอร์ และเลเซอร์แผ่นได้พัฒนาอย่างรวดเร็ว ในหมู่พวกเขา ไฟเบอร์เลเซอร์มีการพัฒนาอย่างรวดเร็ว โดยเฉพาะอย่างยิ่งเลเซอร์ไฟเบอร์เจือหายากซึ่งมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในการสื่อสารไฟเบอร์ การตรวจจับไฟเบอร์ การประมวลผลวัสดุเลเซอร์ และสาขาอื่น ๆ

จาก CO₂ เลเซอร์แก๊สเป็นไฟเบอร์เลเซอร์

CO₂ เลเซอร์แก๊ส

เลเซอร์ที่ใช้CO₂ เนื่องจากสารทำงานหลักเรียกว่าCO₂ เลเซอร์ N . จำนวนเล็กน้อย² และต้องเพิ่ม He เข้าไปในสารทำงานเพื่อปรับปรุงอัตราขยาย ประสิทธิภาพการต้านทานความร้อน และกำลังส่งออกของเลเซอร์ CO₂ เลเซอร์มีลักษณะดังต่อไปนี้

• กำลังขับมีขนาดใหญ่ CO .หลอดปิดทั่วไป₂ เลเซอร์สามารถมีกำลังขับต่อเนื่องหลายสิบวัตต์ ซึ่งมากกว่าเลเซอร์ก๊าซอื่นๆ การไหลด้านข้างกระตุ้นด้วยไฟฟ้าCO₂ เลเซอร์สามารถมีเอาต์พุตต่อเนื่องได้หลายสิบกิโลวัตต์
• ประสิทธิภาพการแปลงพลังงานสูง ประสิทธิภาพการแปลงพลังงานของCO₂ เลเซอร์สามารถเข้าถึง 30% ~ 40% ซึ่งเกินเลเซอร์ก๊าซอื่น ๆ
• CO₂ เลเซอร์ใช้การเปลี่ยนแปลงระหว่างระดับพลังงานของCO₂ การสั่นสะเทือนของโมเลกุลและมีสเปกตรัมค่อนข้างสมบูรณ์ มีเส้นสเปกตรัมหลายสิบเส้นในเอาต์พุตเลเซอร์ใกล้กับความยาวคลื่น 10 чm CO . แรงดันสูง₂ เลเซอร์ที่พัฒนาขึ้นในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาสามารถให้เอาต์พุตที่ปรับได้อย่างต่อเนื่องตั้งแต่ 9 ถึง 10 чm
• แบนด์เอาต์พุตของCO₂ เลเซอร์เป็นหน้าต่างบรรยากาศพอดี (นั่นคือความโปร่งใสของบรรยากาศต่อความยาวคลื่นนี้ค่อนข้างสูง)
• นอกจากนี้ CO₂ เลเซอร์ยังมีข้อดีของคุณภาพของลำแสงเอาท์พุตสูง ความสอดคล้องที่ดี linewidth แคบ การทำงานที่มั่นคง ฯลฯ ดังนั้นจึงมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมและการป้องกันประเทศ

โครงสร้างของCO₂ เลเซอร์

CO . ตื่นเต้นทางไฟฟ้าตามแนวยาวปิดผนึกโดยทั่วไป₂ เลเซอร์ เรโซเนเตอร์ประกอบด้วยหลอดเลเซอร์ อิเล็กโทรด และโพรงเรโซแนนซ์ (รูปที่ 2.2) ส่วนประกอบที่สำคัญที่สุดคือหลอดเลเซอร์ที่ทำจากแก้วแข็ง ซึ่งโดยทั่วไปจะใช้โครงสร้างปลอกหุ้มเป็นชั้นๆ ชั้นในสุดคือท่อระบาย ชั้นที่สองคือท่อปลอกระบายความร้อนด้วยน้ำ และชั้นนอกสุดคือท่อเก็บก๊าซ

ท่อระบายตั้งอยู่ในพื้นที่คอลัมน์บวกของการปล่อยเรืองแสงในการปล่อยก๊าซ บริเวณนี้อุดมไปด้วยอนุภาคที่นำพาพลังงาน เช่น อิเล็กตรอน ไอออน อนุภาคที่แพร่กระจายได้ และโฟตอน ซึ่งเป็นบริเวณที่ได้รับของเลเซอร์ ด้วยเหตุนี้ จึงมีข้อกำหนดบางประการสำหรับเส้นผ่านศูนย์กลาง ความยาว ความกลม และความตรงของท่อระบาย อุปกรณ์ส่วนใหญ่ที่ต่ำกว่า 100W ทำจากแก้วแข็ง อุปกรณ์กำลังปานกลาง (100~500W) มักจะทำจากหลอดแก้วควอทซ์เพื่อให้มั่นใจถึงความเสถียรของพลังงานหรือความถี่ เส้นผ่านศูนย์กลางของท่อโดยทั่วไปประมาณ 10 มม. และความยาวของท่ออาจหนาขึ้นเล็กน้อย

มีแจ็คเก็ตน้ำเย็นอยู่ติดกับท่อระบาย หน้าที่ของมันคือการลดอุณหภูมิของก๊าซที่ทำงานในท่อ เพื่อให้แน่ใจว่าอุปกรณ์ตระหนักถึงการกระจายตัวผกผันของประชากร และเพื่อป้องกันไม่ให้ท่อระบายถูกความร้อนและแตกในระหว่าง กระบวนการกระตุ้นการปลดปล่อย จุดประสงค์ของการเพิ่มปลอกระบายความร้อนด้วยน้ำคือการทำให้อากาศและก๊าซเย็นลงเพื่อให้กำลังขับคงที่ ท่อระบายเชื่อมต่อกับท่อเก็บก๊าซที่ปลายทั้งสองข้าง ปลายด้านหนึ่งของท่อเก็บก๊าซมีรูเล็กๆ สื่อสารกับท่อระบาย และปลายอีกด้านเชื่อมต่อกับท่อระบายผ่านท่อส่งคืนแบบเกลียว เพื่อให้ก๊าซสามารถหมุนเวียนในท่อระบายและท่อเก็บก๊าซ ก๊าซในท่อสามารถแลกเปลี่ยนกับก๊าซในท่อเก็บก๊าซได้ตลอดเวลา

หน้าที่ของท่อเก็บก๊าซที่อยู่นอกสุดคือการลดการเปลี่ยนแปลงขององค์ประกอบและแรงดันของก๊าซที่ทำงานในระหว่างกระบวนการปล่อย และเพื่อเพิ่มความเสถียรทางกลของท่อระบาย

ท่อส่งกลับอากาศเป็นท่อเกลียวบาง ๆ ที่เชื่อมต่อช่องว่างสองช่องของแคโทดและขั้วบวก ซึ่งสามารถปรับปรุงการกระจายแรงดันที่ไม่สมดุลระหว่างอิเล็กโทรดที่เกิดจากปรากฏการณ์อิเล็กโตรโฟรีซิส ค่าของเส้นผ่านศูนย์กลางและความยาวของท่อส่งกลับมีความสำคัญมาก ไม่เพียงแต่ช่วยให้ก๊าซที่แคโทดไหลได้อย่างรวดเร็วไปยังบริเวณแอโนดเพื่อให้เกิดการกระจายก๊าซที่สม่ำเสมอ แต่ยังป้องกันปรากฏการณ์การคายประจุในท่อส่งกลับ

อิเล็กโทรดแบ่งออกเป็นขั้วบวกและขั้วลบ วัสดุแคโทดต้องการความสามารถในการปล่อยอิเล็กตรอน อัตราการสปัตเตอร์ต่ำ และความสามารถในการลด CO₂. ปัจจุบัน CO . ส่วนใหญ่₂ และเลเซอร์เรโซเนเตอร์ใช้อิเล็กโทรดนิกเกิล และพื้นที่อิเล็กโทรดจะถูกกำหนดโดยเส้นผ่านศูนย์กลางด้านในของท่อระบายออกและกระแสไฟทำงาน ตำแหน่งอิเล็กโทรดเป็นแบบโคแอกเชียลกับท่อระบาย ขนาดของแอโนดอาจเท่ากับขนาดแคโทด หรืออาจเล็กกว่าเล็กน้อย

ช่องเรโซแนนท์ประกอบด้วยกระจกรวมและกระจกส่งออก กระจกสะท้อนแสงรวมของ CO . ขนาดกลางและกำลังต่ำ₂ เรโซเนเตอร์เลเซอร์มักใช้กระจกเคลือบทอง เนื่องจากฟิล์มทองคำมีการสะท้อนแสงสูงถึง 10.6 чm และมีความเสถียรทางเคมี อย่างไรก็ตาม กระจกพื้นผิวกระจกมีค่าการนำความร้อนต่ำ ดังนั้น CO . กำลังสูง₂ เลเซอร์มักใช้กระจกโลหะ เช่น กระจกทองแดงหรือกระจกโมลิบดีนัม หรือกระจกที่เคลือบด้วยทองคำและฟิล์มอิเล็กทริกบนพื้นผิวทองแดงสเตนเลสสตีลขัดเงาที่ปราศจากออกซิเจน กระจกส่งออกมักจะใช้วัสดุที่สามารถส่งความยาวคลื่น 10.6um เป็นพื้นผิว และเคลือบฟิล์มหลายชั้นบนมันเพื่อควบคุมการส่องผ่านบางอย่างเพื่อให้ได้เอาท์พุตคัปปลิ้งที่ดีที่สุด วัสดุที่ใช้กันทั่วไป ได้แก่ โพแทสเซียมคลอไรด์ โซเดียมคลอไรด์ อะลูมิเนียม สารหนู สังกะสีซีลีไนด์ แคดเมียม เทลลูไรด์ และอื่นๆ

ช่องเรโซแนนซ์ของCO₂ เลเซอร์มักจะแบนและเว้า กระจกทั้งหมดทำจากแก้วออปติคัล K8 หรือออปติคัลควอตซ์ซึ่งถูกแปรรูปเป็นกระจกเว้าที่มีรัศมีความโค้งมาก พื้นผิวกระจกเคลือบด้วยฟิล์มโลหะที่มีการสะท้อนแสงสูง ซึ่งเป็นฟิล์มเคลือบทองที่ความยาวคลื่น 10. 6 มม. การสะท้อนแสงที่จุดดังกล่าวถึง 98.8% และคุณสมบัติทางเคมีมีเสถียรภาพ

แสงที่ปล่อยออกมาจากก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์คือแสงอินฟราเรด ดังนั้นกระจกสะท้อนแสงทั้งหมดจึงจำเป็นต้องใช้วัสดุที่ส่งแสงอินฟราเรด เนื่องจากแก้วแสงธรรมดาไม่โปร่งใสต่อแสงอินฟราเรด จึงจำเป็นต้องเปิดรูเล็กๆ ตรงกลางกระจกทั้งหมด จากนั้นปิดผนึกชิ้นส่วนของวัสดุอินฟราเรดที่สามารถส่งเลเซอร์ 10.6 чm เพื่อปิดผนึกก๊าซ ซึ่งทำให้เลเซอร์เข้า ช่องเรโซแนนท์แยกออกจากกันเป็นเอาต์พุตจากรูเล็ก ๆ นอกโพรงเพื่อสร้างลำแสงเลเซอร์หรือมีดแสง

กระแสไฟออกของCO .ที่ปิดสนิท₂ เรโซเนเตอร์เลเซอร์มีขนาดค่อนข้างเล็ก ใช้อิเล็กโทรดเย็นและแคโทดทำจากแผ่นโมลิบดีนัมหรือแผ่นนิกเกิลเป็นรูปทรงกระบอก กระแสไฟทำงาน 30 ~ 40MA พื้นที่ของกระบอกสูบแคโทด 500cm²เพื่อไม่ให้เลนส์เกิดมลพิษ จึงมีการเพิ่มแผงกั้นแสงระหว่างแคโทดและเลนส์ ปั๊มรู้สึกตื่นเต้นกับแหล่งจ่ายไฟ DC แบบต่อเนื่อง

ลักษณะการส่งออกของCO₂ ระบบเลเซอร์

ครอสโฟลว์CO₂ เรโซเนเตอร์เลเซอร์ การไหลของก๊าซตั้งฉากกับแกนของโพรง CO₂ เลเซอร์ที่มีโครงสร้างนี้มีคุณภาพลำแสงต่ำและส่วนใหญ่จะใช้สำหรับการรักษาพื้นผิวของวัสดุ และโดยทั่วไปจะไม่ใช้สำหรับการตัด เมื่อเทียบกับCO .อื่นๆ₂ เลเซอร์, ครอสโฟลว์CO₂ เลเซอร์มีกำลังขับสูง คุณภาพลำแสงต่ำ และราคาต่ำ

ข้ามกระแสCO₂ เลเซอร์สามารถใช้การกระตุ้นด้วยกระแสไฟตรง (DC) และการกระตุ้นด้วยความถี่สูง (HF) และวางอิเล็กโทรดไว้ทั้งสองด้านของโซนพลาสม่าขนานกับแกนของช่อง พลาสมาจุดระเบิดและแรงดันไฟในการทำงานต่ำ ก๊าซไหลผ่านโซนพลาสมาตั้งฉากกับลำแสง และทางเดินของก๊าซที่ไหลผ่านระบบอิเล็กโทรดกว้างมาก ดังนั้นความต้านทานการไหลจึงน้อยมาก การระบายความร้อนของ พลาสม่ามีประสิทธิภาพมากและพลังของเลเซอร์ไม่มากเกินไป ข้อ จำกัด มากมาย

ความยาวของเลเซอร์ชนิดนี้น้อยกว่า 1 เมตร แต่สามารถสร้างพลังงานได้ 8KW อย่างไรก็ตาม เนื่องจากการไหลด้านข้างของก๊าซผ่านพลาสม่า เลเซอร์ชนิดนี้จะพัดพลาสมาออกจากวงจรการคายประจุหลัก ทำให้บริเวณพลาสมาในส่วนลำแสงเบี่ยงเบนมากหรือน้อยเป็นสามเหลี่ยม คุณภาพของลำแสงไม่สูง และโหมดลำดับสูงปรากฏขึ้น หากใช้รูกลมเพื่อจำกัดโหมด จะปรับปรุงความสมมาตรของลำแสงได้ในระดับหนึ่ง

การไหลตามแนวแกนอย่างรวดเร็วCO₂ เรโซเนเตอร์เลเซอร์ โครงสร้างแสดงในรูปที่ 2.3 การไหลของก๊าซเลเซอร์ของCO .ชนิดนี้₂ เลเซอร์อยู่ตามแนวแกนของเรโซเนเตอร์ กำลังขับของCO₂ เลเซอร์ที่มีโครงสร้างนี้มีตั้งแต่หลายร้อยวัตต์ถึง 20KW คุณภาพของลำแสงเอาท์พุตจะดีกว่า และเป็นโครงสร้างหลักที่ใช้ในการตัดด้วยเลเซอร์ในปัจจุบัน

การไหลตามแนวแกนอย่างรวดเร็วCO₂ เลเซอร์สามารถใช้การกระตุ้นด้วยไฟฟ้ากระแสตรง (DC) และการกระตุ้นด้วยคลื่นความถี่วิทยุ (RF) รูปร่างของพลาสมาระหว่างอิเล็กโทรดเป็นคอลัมน์เรียว เพื่อป้องกันไม่ให้พลาสมากระจายตัวในบริเวณโดยรอบ พื้นที่ระบายประเภทนี้มักจะอยู่ในหลอดแก้วทรงกระบอกกลวงหรือหลอดเซรามิก พลาสม่าสามารถจุดไฟและบำรุงรักษาที่ปลายทั้งสองของอิเล็กโทรดวงแหวนทั้งสอง แรงดันไฟจุดระเบิดและการทำงานขึ้นอยู่กับอิเล็กโทรด แรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่ใช้ในการใช้งานจริงคือ 20 ~ 30KV

การระบายความร้อนของก๊าซหมุนเวียนจะใช้รูปแบบของการไหลตามแนวแกนอย่างรวดเร็ว เพื่อให้แน่ใจว่าการนำความร้อนที่มีประสิทธิภาพ โดยทั่วไปจะใช้โบลเวอร์รูตหรือพัดลมล้อแบบปรับได้เพื่อให้ได้การไหลความเร็วสูงนี้ แต่ความต้านทานการไหลของรูปทรงเรขาคณิตนี้ค่อนข้างสูงและกำลังเลเซอร์เอาท์พุตอยู่ภายใต้ข้อจำกัดบางประการ เช่น เอาต์พุตเลเซอร์ของตัวกระตุ้น DC เพียงไม่กี่ร้อยวัตต์ กำลังขับของเลเซอร์มีจำกัด ดังนั้นท่อระบายความเย็นไหลตามแนวแกนหลายท่อมักจะเชื่อมต่อในรูปแบบออปติคัลเพื่อให้พลังงานเลเซอร์เพียงพอ

เนื่องจากกำลังขับของCO₂ เรโซเนเตอร์เลเซอร์ส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับกำลังไฟฟ้าเข้าต่อปริมาตรหน่วย การกระตุ้น RF จะสูงกว่าการกระตุ้น DC และความหนาแน่นของพลาสมาจะสูงกว่า เลเซอร์ไหลตามแนวแกน RF กระตุ้นซึ่งมีการเชื่อมต่อท่อระบายความร้อนตามแนวแกนหลายท่อในรูปแบบออปติคัลต่อเนื่อง กำลังขับสามารถเข้าถึง 20KW CO .ตามแนวแกน₂ เลเซอร์เนื่องจากความสมมาตรตามแนวแกนของพลาสมา ใช้งานง่ายในโหมดพื้นฐานและให้คุณภาพของลำแสงสูง

CO . แบบกระจายความเย็นแบบกระจาย₂ เลเซอร์ CO . ระบายความร้อนด้วยการแพร่กระจาย₂ เลเซอร์จะคล้ายกับ CO . ที่ปิดสนิทในช่วงแรก₂ เลเซอร์ ก๊าซในการทำงานของ CO . ที่ปิดสนิท₂ เลเซอร์ถูกปิดไว้ในท่อระบายและทำให้เย็นโดยการนำความร้อน แม้ว่าผนังด้านนอกของท่อระบายจะระบายความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ แต่ท่อระบายสามารถสร้างพลังงานเลเซอร์ได้เพียง 50W ต่อเมตรเท่านั้น และไม่สามารถสร้างเลเซอร์พลังงานสูงขนาดกะทัดรัดได้ CO . ระบายความร้อนด้วยการแพร่กระจาย₂ เลเซอร์ยังใช้วิธีการปิดล้อมด้วยแก๊ส แต่เลเซอร์เป็นโครงสร้างที่มีขนาดกะทัดรัด การปล่อยก๊าซที่ถูกกระตุ้นด้วยความถี่วิทยุเกิดขึ้นระหว่างอิเล็กโทรดทองแดงสองขั้วที่มีพื้นที่ขนาดใหญ่กว่า อิเล็กโทรดสามารถทำให้เย็นลงได้โดยการระบายความร้อนด้วยน้ำ และช่องว่างที่แคบระหว่างอิเล็กโทรดทั้งสองสามารถกระจายความร้อนออกจากช่องคายประจุได้มากที่สุด เพื่อให้ได้ความหนาแน่นของกำลังเอาต์พุตที่ค่อนข้างสูง

CO . ที่ระบายความร้อนด้วยการแพร่₂ เรโซเนเตอร์เลเซอร์ใช้ช่องเรโซแนนท์ที่เสถียรซึ่งประกอบด้วยกระจกทรงกระบอก เนื่องจากช่องที่ไม่เสถียรทางแสงสามารถปรับให้เข้ากับรูปทรงของตัวกลางเกนเลเซอร์ที่ตื่นเต้นได้ง่าย CO แบบกระจายความเย็นแบบแผ่น₂ เลเซอร์สามารถผลิตลำแสงเลเซอร์ความหนาแน่นกำลังสูงและคุณภาพของลำแสงเลเซอร์สูง แต่ลำแสงเอาท์พุตดั้งเดิมของเลเซอร์ประเภทนี้เป็นรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้า และต้องใช้อุปกรณ์สร้างลำแสงสะท้อนที่ระบายความร้อนด้วยน้ำเพื่อกำหนดรูปร่างลำแสงสี่เหลี่ยมให้เป็นวงกลม ลำแสงเลเซอร์สมมาตร ปัจจุบัน ช่วงกำลังขับของเลเซอร์ชนิดนี้คือ 1 ~ 5KW

เมื่อเทียบกับการไหลของก๊าซCO₂ เลเซอร์, แผ่นกระจายความเย็น CO₂ เลเซอร์มีลักษณะโครงสร้างที่กะทัดรัดและทนทาน และมีข้อได้เปรียบที่โดดเด่น กล่าวคือ ในการใช้งานจริง ไม่จำเป็นต้องมีความสดเหมือนก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์₂ เลเซอร์ ก๊าซทำงานด้วยเลเซอร์ แต่มีการติดตั้งภาชนะทรงกระบอกขนาดเล็กประมาณ 10 ลิตรในหัวเลเซอร์เพื่อเก็บก๊าซทำงานด้วยเลเซอร์ ซึ่งสามารถทำได้โดยใช้อุปกรณ์จ่ายก๊าซภายนอกที่ทำงานด้วยเลเซอร์และเครื่องแลกเปลี่ยนถังแก๊สแบบถาวรสำหรับน้ำ หน่วยงานบริหารประเภทนี้ทำงานมานานกว่าหนึ่งปี

เซมิคอนดักเตอร์เลเซอร์

เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์หมายถึงเลเซอร์ชนิดหนึ่งที่มีสารกึ่งตัวนำเป็นวัสดุในการทำงาน เมื่อเทียบกับเลเซอร์อื่นๆ เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์มีข้อดีคือขนาดเล็ก ประสิทธิภาพสูง โครงสร้างที่เรียบง่ายและทนทาน และการมอดูเลตโดยตรง เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์มีการใช้งานที่สำคัญในการสื่อสาร การกำหนดระยะและการประมวลผลข้อมูล

มูลนิธิเซมิคอนดักเตอร์

เซมิคอนดักเตอร์บริสุทธิ์ที่ไม่มีสิ่งเจือปนเรียกว่าเซมิคอนดักเตอร์ภายใน หากอะตอมของสิ่งเจือปนถูกเจือลงในเซมิคอนดักเตอร์ภายใน ระดับสิ่งเจือปนจะเกิดขึ้นที่ต่ำกว่าแถบการนำไฟฟ้าและเหนือแถบเวเลนซ์ ซึ่งเรียกว่าระดับผู้บริจาคและระดับตัวรับตามลำดับ รูปที่ 2.4 แสดงระดับสิ่งเจือปนของสารกึ่งตัวนำผลึกเดี่ยว Si

วัสดุเซมิคอนดักเตอร์ส่วนใหญ่เป็นโครงสร้างผลึก เมื่อมีการรวมอะตอมจำนวนมากอย่างสม่ำเสมอและแน่นหนาเป็นผลึก วาเลนซ์อิเล็กตรอนในคริสตัลจะอยู่ในแถบพลังงานคริสตัลทั้งหมด เมื่อใช้สนามไฟฟ้าภายนอก อิเล็กตรอนในแถบเวเลนซ์จะเปลี่ยนเป็นแถบการนำไฟฟ้า และสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระในแถบการนำไฟฟ้าเพื่อนำไฟฟ้า การสูญเสียอิเล็กตรอนในแถบเวเลนซ์นั้นเทียบเท่ากับการปรากฏตัวของรูที่มีประจุบวก ซึ่งสามารถนำไฟฟ้าได้ภายใต้การกระทำของสนามไฟฟ้าภายนอก ดังนั้นรูในแถบเวเลนซ์และอิเล็กตรอนในแถบการนำไฟฟ้าจึงมีผลเป็นสื่อกระแสไฟฟ้าซึ่งเรียกรวมกันว่าพาหะ

เซมิคอนดักเตอร์ที่มีระดับผู้บริจาคเรียกว่าเซมิคอนดักเตอร์ชนิด n; เซมิคอนดักเตอร์ที่มีระดับตัวรับเรียกว่าเซมิคอนดักเตอร์ชนิด p ที่อุณหภูมิห้อง อะตอมของผู้บริจาคส่วนใหญ่ของเซมิคอนดักเตอร์ชนิด n จะถูกแตกตัวเป็นไอออนด้วยพลังงานความร้อน และอิเล็กตรอนจะตื่นเต้นกับแถบการนำไฟฟ้าและกลายเป็นอิเล็กตรอนอิสระ อะตอมของตัวรับส่วนใหญ่ของเซมิคอนดักเตอร์ชนิด p จับอิเล็กตรอนในแถบเวเลนซ์และสร้างรูในแถบเวเลนซ์ ดังนั้นเซมิคอนดักเตอร์ชนิด n ส่วนใหญ่ดำเนินการโดยอิเล็กตรอนในแถบการนำไฟฟ้า เซมิคอนดักเตอร์ชนิด p ส่วนใหญ่ดำเนินการโดยรูในแถบเวเลนซ์

ในชิ้นส่วนของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ การเปลี่ยนแปลงกะทันหันจากบริเวณชนิด p เป็นบริเวณชนิด n เรียกว่าจุดเชื่อมต่อ pn โซนชาร์จพื้นที่ถูกสร้างขึ้นที่ส่วนต่อประสาน อิเล็กตรอนในแถบการนำไฟฟ้าของสารกึ่งตัวนำชนิด n จะกระจายไปยังบริเวณ p และรูในแถบเวเลนซ์ของสารกึ่งตัวนำชนิด p จะกระจายไปยังบริเวณ n บริเวณชนิด n ใกล้บริเวณทางแยกมีประจุเป็นบวกเนื่องจากเป็นผู้ให้ และบริเวณชนิด p ใกล้บริเวณทางแยกมีประจุลบเนื่องจากเป็นตัวรับ ที่ส่วนต่อประสานจะเกิดสนามไฟฟ้าที่ส่งตรงจากโซน n ไปยังโซน p ซึ่งเรียกว่าสนามไฟฟ้าในตัว (หรือสนามไฟฟ้าที่สร้างขึ้นเอง) สนามไฟฟ้านี้ป้องกันการแพร่กระจายของอิเล็กตรอนและรูอย่างต่อเนื่อง

หากใช้อคติไปข้างหน้ากับวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่สร้างจุดเชื่อมต่อ pn พื้นที่ p จะเชื่อมต่อกับอิเล็กโทรดบวก และพื้นที่ n เชื่อมต่อกับอิเล็กโทรดลบ สนามไฟฟ้าของแรงดันไปข้างหน้าอยู่ตรงข้ามกับสนามไฟฟ้าในตัวของทางแยก pn ซึ่งทำให้อุปสรรคของสนามไฟฟ้าในตัวอ่อนลงต่อการแพร่กระจายของอิเล็กตรอนในคริสตัลเพื่อให้อิเล็กตรอนอิสระในโซน n คงที่ ภายใต้การกระทำของแรงดันไปข้างหน้า

การแพร่กระจายไปยังบริเวณ p ผ่านทางแยก pn เมื่อมีอิเล็กตรอนจำนวนมากในแถบการนำไฟฟ้าและรูในแถบเวเลนซ์ในเวลาเดียวกันในเขตทางแยก พวกมันจะรวมตัวกันใหม่ในเขตฉีด เมื่ออิเล็กตรอนในแถบการนำไฟฟ้าเปลี่ยนไปเป็นแถบวาเลนซ์ พลังงานส่วนเกินจะถูกปล่อยออกมาในรูปของแสง ออกมา นี่คือกลไกของการเรืองแสงด้วยไฟฟ้าของเซมิคอนดักเตอร์ และการเรืองแสงการรวมตัวที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาตินี้เรียกว่าการเปล่งแสงที่เกิดขึ้นเอง

ในการทำให้จุดต่อ pn สร้างแสงเลเซอร์ ต้องมีการสร้างการกระจายการผกผันของอนุภาคในบริเวณจุดเชื่อมต่อ ต้องใช้วัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่มีสารเจือหนัก และกระแสไฟที่ฉีดเข้าไปในทางแยก pn ต้องมีขนาดใหญ่พอ (เช่น 30KA/ซม.)²). ด้วยวิธีนี้ในพื้นที่ของชุมทาง pn สถานะการกระจายกลับของอิเล็กตรอนในแถบการนำไฟฟ้ามากกว่ารูในแถบวาเลนซ์สามารถเกิดขึ้นได้ ดังนั้นจึงสร้างรังสีที่ถูกกระตุ้นและเปล่งแสงเลเซอร์

ช่องเรโซแนนท์เชิงแสงของเรโซเนเตอร์เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ประกอบด้วยระนาบรอยแยก (110 หน้า) ตั้งฉากกับระนาบทางแยก pn มีการสะท้อนแสง 35% ซึ่งเพียงพอที่จะทำให้เกิดการสั่นของเลเซอร์ หากจำเป็นต้องเพิ่มการสะท้อนแสง ชั้นของ SiO₂ สามารถชุบบนพื้นผิวคริสตัล แล้วชั้นของฟิล์มเงินโลหะสามารถชุบเพื่อให้ได้ค่าการสะท้อนแสงมากกว่า 95%

เมื่อมีการใช้อคติไปข้างหน้ากับเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ การผกผันของประชากรจะเกิดขึ้นในพื้นที่ทางแยกและเกิดการรวมตัวกันใหม่

เงื่อนไขสำหรับการปล่อยสารกึ่งตัวนำที่ถูกกระตุ้น

เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ทำงานโดยการฉีดสารพาหะ และเลเซอร์ที่เปล่งแสงต้องเป็นไปตามเงื่อนไขพื้นฐานสามประการต่อไปนี้

• จำเป็นต้องสร้างการกระจายการผกผันของประชากรให้เพียงพอ กล่าวคือ จำนวนของอนุภาคในสถานะพลังงานสูงนั้นมากกว่าจำนวนอนุภาคในสถานะพลังงานต่ำเพียงพอ
• มีช่องเรโซแนนซ์ที่เหมาะสมที่สามารถมีบทบาทป้อนกลับเพื่อให้โฟตอนของรังสีที่ถูกกระตุ้นนั้นขยายตัวเพื่อก่อให้เกิดการสั่นของเลเซอร์
• ต้องเป็นไปตามเงื่อนไขเกณฑ์บางประการเพื่อให้โฟตอนได้รับเท่ากับหรือมากกว่าการสูญเสียโฟตอน

เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์แบบโฮโมจังชั่นแบบฉีด

เรโซเนเตอร์เลเซอร์เรโซเนเตอร์เลเซอร์แบบกึ่งตัวนำ GaAs แบบโฮโมจังชั่นแบบฉีดเป็นเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ตัวแรกที่ได้รับการพัฒนาอย่างประสบความสำเร็จ รอยต่อที่เป็นเนื้อเดียวกันหมายถึงจุดต่อ pn ที่ประกอบด้วยเซมิคอนดักเตอร์ชนิด p และ n ของวัสดุเมทริกซ์เดียวกัน (เช่น GaAs) และประเภทการฉีดหมายถึงวิธีการปั๊มที่กระตุ้นเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์โดยตรงและฉีดกระแสเพื่อกระตุ้นสารทำงาน .

รูปที่ 2.5 (a) แสดงโครงสร้างลักษณะทั่วไปของเลเซอร์นี้ มีหน้าต่างเล็ก ๆ บนเปลือกหลอดเพื่อส่งออกเลเซอร์ และอิเล็กโทรดที่ปลายล่างของหลอดใช้สำหรับแหล่งจ่ายไฟภายนอก ภายในเปลือกเป็นเลเซอร์ไดย์ ดังแสดงในรูปที่ 2.5(b) แม่พิมพ์มีหลายรูปทรง รูปที่ 2.5 (c) เป็นแผนผังของโครงสร้างของแม่พิมพ์ที่มีรูปทรงเมซ่า ความหนาของทางแยก pn มีเพียงสิบไมครอนเท่านั้น โดยทั่วไป ชั้นบางๆ ของ p-type GaAs จะโตที่ด้านล่างของหมู่บ้าน n-type GaAs เพื่อสร้างทางแยก pn

ช่องเรโซแนนซ์ของเลเซอร์โดยทั่วไปจะใช้ปลายทั้งสองด้านในแนวตั้งฉากกับทางแยก pn โดยตรง ดัชนีการหักเหของแสงของ GaAs คือ 3.6 และการสะท้อนแสงของแสงในแนวตั้งฉากกับพื้นผิวด้านท้ายคือ 32% เพื่อเพิ่มกำลังขับและลดกระแสไฟในการทำงาน โดยทั่วไปพื้นผิวสะท้อนแสงแบบใดแบบหนึ่งจะเคลือบด้วยทองคำ

Heterojunction เซมิคอนดักเตอร์เลเซอร์

จากการศึกษาพบว่าเป็นเรื่องยากสำหรับเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์แบบโฮโมจังก์ชันเพื่อให้ได้กระแสธรณีประตูที่ต่ำและบรรลุการทำงานอย่างต่อเนื่องที่อุณหภูมิห้อง ดังนั้นผู้คนจึงพัฒนาเลเซอร์แบบ heterojunction บนพื้นฐานนี้ เลเซอร์แยกรอยแยกต่าง ๆ ยังเป็นเลเซอร์ทางแยกเดียว (SH) และเลเซอร์ทางแยกสองทางแยก (SH) เลเซอร์ทางแยกมวล (DH)

เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์แบบเฮเทอโรจังก์ชั่นเดี่ยว รูปที่ 2.6 แสดงโครงสร้างของเลเซอร์ heterojunction เดียว (GaAs-P-Ga_1-xอัล_NSAs) และแผนผังของการเปลี่ยนแปลงแถบพลังงาน การเปลี่ยนแปลงดัชนีการหักเหของแสง และการกระจายความเข้มแสงของแต่ละภูมิภาค จะเห็นได้ว่าหลังจากเติมสารที่ต่างกัน GaAs-P-Ga_1-xอัล_NSสำหรับด้าน P-GaAs อุปสรรคด้านพลังงานอิเล็กตรอนของอินเทอร์เฟซทำให้อิเล็กตรอนที่ฉีดเข้าไปใน P-GaAs จาก N-GaAs สามารถถูกกักขังในโซน P เท่านั้นเพื่อรวมตัวกันใหม่และสร้างโฟตอน เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของดัชนีการหักเหของแสงที่ส่วนต่อประสานของ P-GaAs และ P-Ga_1-xอัล_NSเนื่องจากโฟตอนที่เกิดจากการรวมตัวใหม่ในพื้นที่แอคทีฟจะสะท้อนและถูกกักไว้ในเลเยอร์ P-GaAs

ผลการกักขังของเฮเทอโรจังก์ชันต่ออิเล็กตรอนและโฟตอนช่วยลดการสูญเสีย ดังนั้นความหนาแน่นกระแสธรณีประตูของเลเซอร์รอยแยกเดียวที่อุณหภูมิห้องลดลงเหลือ 8KA/ซม.².

ในแหล่งเลเซอร์ทางแยกเดียว heterojunction มีบทบาทในการจำกัดการแพร่กระจายของพาหะ แต่ไม่ได้ใช้สำหรับการฉีด ดังนั้นโดยทั่วไปค่าของ x จะถูกเลือกให้มีขนาดค่อนข้างใหญ่ เช่น 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.

แหล่งเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์แบบคู่เฮเทอโรจังก์ชั่น อีพิแทกซีของเฟสของเหลวถูกใช้เพื่อทำให้ N-Ga . เติบโตตามลำดับ_1-xอัล_NSในฐานะที่เป็น P-GaAs, P-Ga_1-xอัล_NSเช่นเดียวกับชั้นบาง ๆ ที่เป็นผลึกเดี่ยวที่ก้นหมู่บ้าน N-GaAs มีน-กา_1-xอัล_NSในฐานะที่เป็นชั้นและ P- Ga_1-xอัล_NSในฐานะที่เป็นชั้นทั้งสองด้านของพื้นที่แอคทีฟ P-GaAs ก่อตัวเป็น N-Ga_1-xอัล_NSเป็น /P-GaAs และ P-GaAs/P-Ga_1-xอัล_NSเป็นสอง heterojunctions ของ N-Ga_1-xอัล_NSAs และ P-Ga_1-xอัล_NSดังแสดงในรูปที่ 2.7

รูปที่ 2.8 แสดงแถบพลังงาน ดัชนีการหักเหของแสง และการกระจายความเข้มแสงของเลเซอร์ทางแยกคู่ P-GaAs บริเวณที่ทำงานอยู่ถูกประกบอยู่ระหว่าง Ga . วงกว้างสองแถบ_1-xอัล_NSเป็นชั้น สำหรับโครงสร้างนี้ เนื่องจากมีความสมมาตร จึงไม่ได้จำกัดอยู่เพียงการฉีดอิเล็กตรอนเท่านั้นอีกต่อไป โครงสร้างสองเฮเทอโรจังก์ชันช่วยให้ทั้งการฉีดอิเล็กตรอนและการฉีดรูเป็นไปอย่างมีประสิทธิภาพ หากความกว้างของพื้นที่ใช้งานมีขนาดเล็กกว่าความยาวการแพร่กระจายของตัวพา ตัวพาส่วนใหญ่สามารถกระจายไปยังบริเวณที่ทำงานอยู่ก่อนที่จะรวมตัวกันใหม่ เมื่อไปถึงทางแยกต่าง ๆ พวกเขาจะถูกขับไล่โดยสิ่งกีดขวางที่อาจเกิดขึ้นและอยู่ในพื้นที่ที่มีการเคลื่อนไหว ถ้าความหนา d ของพื้นที่ทำงานน้อยกว่าความยาวการแพร่กระจายของพาหะมาก ตัวพาจะเติมบริเวณที่ทำงานอยู่อย่างสม่ำเสมอ สำหรับเลเซอร์ชนิดนี้ การรวมตัวใหม่จะเกิดขึ้นเกือบสม่ำเสมอในบริเวณที่ทำงานอยู่

เนื่องจากทั้งสองด้านของพื้นที่ใช้งานเป็นวัสดุบรอดแบนด์ ดัชนีการหักเหของแสงที่มีประสิทธิภาพจึงกระโดดในลำดับชั้น ดังนั้นโฟตอนจึงถูกจำกัดอยู่ในพื้นที่ทำงาน และการกระจายของสนามแสงก็สมมาตรเช่นกัน heterojunction แบบคู่สามารถจำกัดพาหะและโฟตอนได้อย่างมีประสิทธิภาพ ดังนั้นความหนาแน่นกระแสไฟตามเกณฑ์ของเลเซอร์จึงลดลงอย่างมาก และการทำงานต่อเนื่องของเลเซอร์ที่อุณหภูมิห้องจะรับรู้ได้

หลังจากที่เลเซอร์แบบสองทางแยกสองทางบรรลุการทำงานอย่างต่อเนื่องที่อุณหภูมิห้อง ปัญหาที่โดดเด่นคือวิธีปรับปรุงอายุการใช้งานของอุปกรณ์ ซึ่งสามารถเริ่มต้นได้จากการแก้ปัญหาโครงสร้างแอกทีฟแอกทีฟและการกระจายความร้อน ด้วยข้อกำหนดที่แตกต่างกัน มีโครงสร้างหลายแบบของเลเซอร์แบบสองเฮเทอโรจังก์ชัน แบบทั่วไปคือเลเซอร์แบบแท่งคู่เฮเทอโรจังก์ชัน (DH) ใน GaAs/ Ga_1-xอัล_NSในฐานะที่เป็นเลเซอร์ DH แถบคาดของ GaAs จะสัมพันธ์กับความยาวคลื่นเลเซอร์ประมาณ 0.89um เลเซอร์ InP/InGaAsP DH ครอบคลุมช่วง 0.92~1.65чm เนื่องจากไฟเบอร์ออปติกที่สูญเสียน้อยที่สุดคือ 1.3~1.6чm เลเซอร์ InP/InGaAsP DH จึงมีการใช้งานที่สำคัญสำหรับระบบการสื่อสารด้วยไฟเบอร์ออปติกทางไกล ในขณะที่ GaAs/ Ga_1-xอัล_NSเนื่องจากเลเซอร์ DH มักใช้ในระบบสื่อสารใยแก้วนำแสงระยะสั้น

YAG โซลิดสเตตเลเซอร์

แก่นของการปล่อยเลเซอร์คือสารทำงานด้วยเลเซอร์ (นั่นคือ สารทำงานที่มีระดับพลังงานที่ลุกลามได้) ในเลเซอร์ที่สามารถรับรู้การผกผันของประชากรได้ เช่น เลเซอร์ที่มีสารทำงานเป็นผลึกหรือแก้วซึ่งเรียกว่าคริสตัล เลเซอร์และเลเซอร์แก้วตามลำดับ โดยปกติ เลเซอร์สองประเภทนี้จะเรียกรวมกันว่าเลเซอร์โซลิดสเตต ในบรรดาเลเซอร์นั้น เลเซอร์โซลิดสเตตเป็นเลเซอร์กลุ่มแรกที่พัฒนาขึ้น เลเซอร์ชนิดนี้มีขนาดเล็ก กำลังขับสูงและใช้งานสะดวก วัสดุการทำงานหลักสามประการสำหรับเลเซอร์โซลิดสเตต โกเมนอลูมิเนียมอิตเทรียมเจือนีโอไดเมียม (Nd: YAG) โดยมีความยาวคลื่นเอาต์พุต 1.06 чm ซึ่งเป็นสีขาวและสีน้ำเงิน แก้วนีโอไดเมียมที่มีความยาวคลื่นเอาต์พุต 1.06 чm ซึ่งเป็นสีม่วงน้ำเงิน ทับทิม ความยาวคลื่นเอาต์พุตคือ 0.694чm ซึ่งเป็นสีแดง

เลเซอร์ YAG เป็นเลเซอร์โซลิดสเตตชนิดที่พบได้บ่อยที่สุด เลเซอร์ YAG ออกมาช้ากว่าเลเซอร์แก้วทับทิมและนีโอไดเมียม ในปี 1964 คริสตัล YAG ได้รับการพัฒนาอย่างประสบความสำเร็จ หลังจากทำงานหนักมาหลายปี คุณสมบัติทางแสงและทางกายภาพของวัสดุคริสตัล YAG ได้รับการปรับปรุงอย่างต่อเนื่อง และเอาชนะกระบวนการเตรียมคริสตัล YAG ขนาดใหญ่ได้สำเร็จ ภายในปี 1971 สามารถวาดผลึก Nd: YAG ขนาดใหญ่ที่มีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 40 มม. และความยาว 200 มม. ได้ ซึ่งให้คริสตัลคุณภาพสูงในราคาปานกลางสำหรับการพัฒนาเลเซอร์ YAG และส่งเสริมการพัฒนา YAG เลเซอร์

ในปี 1970 การพัฒนาเลเซอร์ทำให้เกิดการวิจัยและการประยุกต์ใช้เลเซอร์ YAG มากขึ้น สถาบันวิจัยในประเทศพัฒนาอุตสาหกรรมหลายแห่งได้ทุ่มกำลังคนและทรัพยากรทางการเงินจำนวนมากเพื่อศึกษาวิธีปรับปรุงประสิทธิภาพ พลัง และความน่าเชื่อถือของเลเซอร์ YAG และแก้ปัญหาทางวิศวกรรม ผลการใช้งานบางส่วนประสบความสำเร็จในด้านของการวัดระยะด้วยเลเซอร์ เรดาร์เลเซอร์ กระบวนการทางอุตสาหกรรมด้วยเลเซอร์ และการรักษาทางการแพทย์ด้วยเลเซอร์ ตัวอย่างเช่น YAG Laser Precision Tracking Radar (ระบบ PATS) ประสบความสำเร็จในการใช้ช่วงการวัดขีปนาวุธในปี 1971 โดย Silvania Company of the United States ในช่วงทศวรรษ 1980 การวิจัยและการประยุกต์ใช้เลเซอร์ YAG ได้เติบโตเต็มที่และเข้าสู่ช่วงของการพัฒนาอย่างรวดเร็ว กลายเป็นกระแสหลักของการพัฒนาและการประยุกต์ใช้เลเซอร์ต่างๆ

โครงสร้างของ YAG laser

โดยทั่วไปแล้ว เลเซอร์ YAG หมายถึงเลเซอร์ Nd: YAG ที่เจือด้วย Nd . ไตรวาเลนต์³⁺ ในคริสตัลโกเมนอลูมิเนียมอิตเทรียม (YAG) มันปล่อยแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์ใกล้อินฟราเรดที่ 1.06 чm และเป็นเลเซอร์โซลิดสเตตที่สามารถทำงานได้อย่างต่อเนื่องที่อุณหภูมิห้อง ในเลเซอร์พัลซิ่งกำลังขนาดเล็กและขนาดกลาง ปัจจุบันเลเซอร์ Nd: YAG ถูกใช้ในปริมาณที่มากกว่าเลเซอร์อื่นๆ พลังงานพัลส์เดี่ยวที่ปล่อยออกมาจากเลเซอร์นี้สามารถสูงถึง 107W หรือสูงกว่า ซึ่งสามารถประมวลผลวัสดุด้วยความเร็วสูงมาก เลเซอร์ YAG มีพลังงานสูง กำลังสูงสุดสูง โครงสร้างกะทัดรัด ความแน่นและความทนทาน ประสิทธิภาพที่เชื่อถือได้ การประมวลผลที่ปลอดภัย การควบคุมที่ง่าย ฯลฯ คุณสมบัติ มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรม การป้องกันประเทศ การรักษาพยาบาล การวิจัยทางวิทยาศาสตร์ และสาขาอื่นๆ คริสตัล Nd: YAG มีคุณสมบัติทางความร้อนที่ดีเยี่ยม และเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการผลิตอุปกรณ์เลเซอร์แบบต่อเนื่องและแบบทำซ้ำ

เลเซอร์ YAG ประกอบด้วยแกนแหล่งกำเนิดเลเซอร์ YAG, หลอดซีนอน, ช่องคอนเดนเซอร์, สวิตช์ Q, โพลาไรเซอร์, กระจกรวม, กึ่งตอบสนอง ฯลฯ โครงสร้างแสดงในรูปที่ 2.9

สื่อในการทำงานของอุปกรณ์ไมโครออปติคัล YAG คือแกน Nd: YAG ด้านข้างหยาบ ปลายทั้งสองข้างถูกกราวด์ให้เป็นระนาบ และเคลือบสารกันแสงสะท้อน คริสตัลแบบทวีคูณความถี่ใช้คริสตัลโพแทสเซียมเททานีออกไซด์ (KTP) ที่มีการเคลือบป้องกันแสงสะท้อนทั้งสองด้าน ช่องสเปกโตรสโกปีเลเซอร์ใช้ช่องที่มีความเสถียรของ plano-concave ความยาวของช่อง 530 มม. และรัศมีความโค้งของกระจกรวม plano-concave คือ 2 ม. โปรดใช้เลนส์ควอทซ์ที่มีการส่งผ่านสูงและสะท้อนแสงสูงสำหรับกระจกกัลวาโนมิเตอร์ และสามารถปรับความถี่มอดูเลตของอุปกรณ์สวิตช์ Q ได้

ช่องเรโซแนนซ์เลเซอร์เป็นช่องพับสามกระจกที่มีเรโซแนนซ์เส้นสเปกตรัม 1.3 มม. รวมถึงโมดูลปั๊มเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์สองโมดูล แต่ละโมดูลประกอบด้วยอาร์เรย์เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์แบบคลื่นต่อเนื่อง 20W (LD) ที่มีความยาวคลื่นตรงกลาง 808nm และทั้งหมด ความกว้างของเส้นสเปกตรัม น้อยกว่า 3 นาโนเมตร คริสตัลเลเซอร์คือ 3 มม. × 75 มม. Nd: YAG ความเข้มข้นของยาสลบคือ 1.0% และโรเตอร์ควอตซ์แบบเลเซอร์ 1.319 นาโนเมตรถูกแทรกระหว่างโมดูลปั๊ม LD สองโมดูลเพื่อชดเชยผลกระทบจากค่าการหักเหของแสงที่เกิดจากความร้อน .

พื้นที่คงที่ของช่องเรโซแนนซ์ของแสงโพลาไรซ์แบบเรโซแนนซ์และแสงโพลาไรซ์แบบเรเดียลทับซ้อนกันซึ่งเป็นประโยชน์ในการเพิ่มกำลังขับและปรับปรุงคุณภาพของลำแสง สวิตช์ Q อะคูสติกออปติกที่มีการสูญเสียการเลี้ยวเบนสูงใช้เพื่อสร้างเอาต์พุตพัลส์ Q-switched และความถี่การทำซ้ำสามารถปรับได้ในช่วง 1 ~ 50kHz ช่องเรโซแนนซ์ที่ออกแบบมาให้โฟกัสอย่างแท้จริงบนแขนพับเพื่อเพิ่มความหนาแน่นของพลังงาน ซึ่งเป็นประโยชน์ต่อการแปลงความถี่แบบไม่เชิงเส้น

กระจกพลาโน M₁ เคลือบด้วย 1319nm, 659 ระบบฟิล์มสะท้อนแสงสูงคู่ 4nm, กระจกเว้า M₂ เป็นกระจกคัปปลิ้งเอาท์พุต และกระจกเว้า-เว้า M₃ คือ 1319nm, 659nm, 440nm สามความยาวคลื่นฟิล์มสะท้อนแสงสูง เนื่องจากความเข้มของเส้นสเปกตรัม 1064 นาโนเมตรของคริสตัล Nd: YAG นั้นมากกว่าความยาวคลื่น 1319 นาโนเมตรถึงสามเท่า M₁, NS₂, NS₃การออกแบบกระจกโพรงต้องการการส่งผ่านความยาวคลื่น 1064nm ให้มากกว่า 60% ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญมากในการปราบปรามการสั่นของเลเซอร์ 1064nm ของ.

เพื่อลดการสูญเสียการแทรกในช่อง ส่วนประกอบทั้งหมดในโพรงควรเคลือบด้วยสารเคลือบป้องกันแสงสะท้อน เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ไม่ได้เพิ่มการวัดรูปร่างหรือส่วนประกอบการถ่ายภาพด้วยแสง และคริสตัล Nd: YAG ถูกปั๊มจากทิศทาง 120° ที่อยู่ติดกัน โดยการปรับพารามิเตอร์การสูบน้ำให้เหมาะสมที่สุด สามารถรับโปรไฟล์เกนที่ค่อนข้างสม่ำเสมอและเหมือนเกาส์ได้ การออกแบบนี้เรียบง่าย กะทัดรัด และใช้งานได้จริง และสามารถจับคู่กับโหมดไอเกนของเรโซเนเตอร์ได้ดียิ่งขึ้น ซึ่งเป็นประโยชน์ในการปรับปรุงประสิทธิภาพการสกัดพลังงานและคุณภาพของลำแสง

เนื่องจากคริสตัลลิเธียมเผ่าเมท (LBO) มีเกณฑ์ความเสียหายสูง การดูดกลืนแสงความถี่พื้นฐานต่ำ และแสงความถี่สองเท่า จึงสามารถจับคู่เฟสความถี่คู่ 1319 นาโนเมตรและความถี่สามเท่า และมีข้อดีของสัมประสิทธิ์ไม่เชิงเส้นที่มีประสิทธิภาพที่เหมาะสม ดังนั้น เลือกสอง คริสตัล LBO ใช้เป็นคริสตัลสำหรับการเพิ่มความถี่ intracavity สองเท่าและความถี่รวม intracavity

ลักษณะเอาต์พุตของ YAG laser

• เลเซอร์ Nd: YAG แบบปั๊มหลอด โครงสร้างแสดงในรูปที่ 2.10 และรูปที่ 2.11 ตัวกลางเกน Nd: YAG เป็นรูปแท่ง และมักจะวางไว้บนเส้นโฟกัสของช่องคอนเดนเซอร์สะท้อนแสงแบบวงกลมคู่ โคมไฟปั๊มสองดวงตั้งอยู่บนเส้นโฟกัสด้านนอกสองเส้นของวงรีคู่ และน้ำหล่อเย็นจะไหลระหว่างหลอดปั๊มและแท่งเลเซอร์ด้วยปลอกหลอดแก้ว
• ในเลเซอร์กำลังสูง ผลกระทบจากความร้อนของแกนเลเซอร์จะจำกัดกำลังขับสูงสุดของแกนเลเซอร์แต่ละตัว ความร้อนภายในแกนเลเซอร์และการระบายความร้อนของพื้นผิวของแกนเลเซอร์ทำให้เกิดการไล่ระดับอุณหภูมิของคริสตัล ดังนั้นกำลังสูงสุดของปั๊มจะต้องต่ำกว่าที่จะสร้างความเสียหาย ขีด จำกัด ความเครียด ช่วงกำลังที่มีประสิทธิภาพของเลเซอร์ Nd: YAG แบบแท่งเดียวคือ 50~800W สามารถรับเลเซอร์ Nd: YAG ที่มีกำลังสูงกว่าได้โดยเชื่อมต่อแท่งเลเซอร์ Nd: YAG แบบอนุกรม
• เลเซอร์ Nd: YAG แบบปั๊มไดโอด โครงสร้างของเลเซอร์ Nd: YAG แบบปั๊มไดโอดแสดงในรูปที่ 2.12 และใช้เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ GaAlAs เป็นแหล่งกำเนิดแสงของปั๊ม
• การใช้เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์เป็นแหล่งกำเนิดปั๊มจะช่วยเพิ่มอายุการใช้งานของส่วนประกอบและขจัดความจำเป็นในการเปลี่ยนหลอดปั๊มตามปกติเมื่อใช้การสูบน้ำด้วยหลอดไฟ เลเซอร์ Nd: YAG แบบปั๊มไดโอดมีความน่าเชื่อถือสูงกว่าและใช้เวลาทำงานนานขึ้น
• ประสิทธิภาพการแปลงสูงของเลเซอร์ Nd: YAG ที่ปั๊มด้วยไดโอดนั้นมาจากการจับคู่สเปกตรัมที่ดีระหว่างสเปกตรัมการแผ่รังสีของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์กับการดูดซับของ Nd: YAG เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ GaAIAs ปล่อยความยาวคลื่นแถบแคบ ด้วยการปรับเนื้อหา Al อย่างแม่นยำ จึงสามารถเปล่งแสงที่ 808nm ซึ่งอยู่ในแถบดูดกลืนแสงของ Nd³⁺ อนุภาค ประสิทธิภาพการแปลงทางไฟฟ้าแสงของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์อยู่ที่ประมาณ 40%-50% ซึ่งเป็นสาเหตุที่ทำให้ Nd สูบด้วยไดโอด เลเซอร์ YAG สามารถบรรลุประสิทธิภาพการแปลงมากกว่า 10% ในขณะที่หลอดไฟตื่นเต้นที่จะสร้างแสงสีขาว คริสตัล Nd: YAG จะดูดซับสเปกตรัมเพียงส่วนเล็กๆ เท่านั้น ซึ่งทำให้ประสิทธิภาพต่ำ

ไฟเบอร์เลเซอร์

การจำแนกประเภทของไฟเบอร์เลเซอร์

ไฟเบอร์เลเซอร์คือเลเซอร์ที่ใช้ไฟเบอร์ออปติกเป็นสื่อต้นทางของเลเซอร์ ตามกลไกจูงใจ แบ่งออกได้เป็น 4 ประเภทดังนี้

• แหล่งเลเซอร์ใยแก้วเจือธาตุหายาก ผ่านการเติมไอออนของธาตุหายากที่แตกต่างกันในวัสดุเมทริกซ์ไฟเบอร์เพื่อให้ได้เอาต์พุตเลเซอร์ของแถบความยาวคลื่นที่ต้องการ
• ไฟเบอร์เลเซอร์ที่ผลิตขึ้นโดยใช้เอฟเฟกต์ไม่เชิงเส้นของเส้นใย เช่น การกระเจิงรามัน (SRS) แบบกระตุ้น เป็นต้น
• เลเซอร์ใยแก้วผลึกเดี่ยว รวมถึงเลเซอร์ใยแก้วผลึกเดี่ยวทับทิม เลเซอร์ใยแก้วผลิตภัณฑ์เดียว Nd: YAG เป็นต้น
• เลเซอร์ไฟเบอร์ย้อมโดยการเติมแกนพลาสติกหรือหุ้มด้วยสีย้อมเพื่อให้ได้ผลลัพธ์เลเซอร์

ในบรรดาไฟเบอร์เลเซอร์ประเภทนี้ ไฟเบอร์เลเซอร์และแอมพลิฟายเออร์ที่เจือด้วยแรร์เอิร์ธอิออนมีความสำคัญที่สุดและมีการพัฒนาที่รวดเร็วที่สุด มีการใช้ในด้านการสื่อสารด้วยไฟเบอร์ การตรวจจับไฟเบอร์ และการประมวลผลวัสดุด้วยเลเซอร์ เลเซอร์ชนิดนี้

หลักการเวฟไกด์ของไฟเบอร์เลเซอร์

โครงสร้างทางเรขาคณิตของแหล่งกำเนิดไฟเบอร์เลเซอร์แบบชั้นเดียวแสดงไว้ในรูปที่ 2.13 เมื่อเทียบกับแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์แบบโซลิดสเตต ไฟเบอร์เลเซอร์มีเส้นทางลำแสงอิสระอย่างน้อยหนึ่งเส้นทางที่เกิดขึ้นในตัวสะท้อนเลเซอร์ และการสร้างลำแสงและการแนะนำเลเซอร์ไฟเบอร์จะรับรู้ได้ในท่อนำคลื่นแสง โดยทั่วไป ท่อนำคลื่นแบบออปติคัลเหล่านี้ใช้วัสดุไดอิเล็กทริกออปโตอิเล็กทรอนิกส์ที่เจือด้วยแร่หายาก ตัวอย่างเช่น วัสดุซิลิกอน แก้วฟอสเฟต และแก้วฟลูออไรด์แสดงการลดทอนประมาณ 10dB/km ซึ่งเป็นลำดับความสำคัญที่น้อยกว่าคริสตัลเลเซอร์แบบโซลิดสเตตหลายระดับ เมื่อเทียบกับวัสดุที่เป็นผลึกแข็ง แถบดูดกลืนและปล่อยไอออนของแรร์เอิร์ธจะแสดงสเปกตรัมที่กว้างขึ้น เนื่องจากการทำงานร่วมกันของพื้นผิวแก้วจะลดความเสถียรของความถี่และความกว้างที่ต้องการของแหล่งกำเนิดแสงของปั๊ม ดังนั้นจึงจำเป็นต้องเลือกแหล่งกำเนิดเลเซอร์ไดโอดที่มีความยาวคลื่นที่เหมาะสมสำหรับไฟเบอร์เลเซอร์

ใยแก้วนำแสงประกอบด้วยแกนแอคทีฟเจือหายากของโลกที่มีดัชนีการหักเหของแสง n₁มักจะล้อมรอบด้วยชั้นของกระจกซิลิกาบริสุทธิ์และดัชนีการหักเหของแสงของกาบเป็น n₂<n₁. ดังนั้น ตามการสะท้อนทั้งหมดภายในส่วนต่อประสานระหว่างแกนกลางและส่วนหุ้ม ท่อนำคลื่นจะถูกสร้างขึ้นในเลเยอร์หลัก สำหรับการแผ่รังสีของปั๊มและการแผ่รังสีเลเซอร์ ชั้นแกนกลางของไฟเบอร์เลเซอร์จะเป็นทั้งตัวกลางแอคทีฟและท่อนำคลื่น ใยแก้วนำแสงทั้งหมดได้รับการปกป้องจากอิทธิพลภายนอกโดยชั้นนอกของโพลีเมอร์

สำหรับไฟเบอร์เลเซอร์ที่กระตุ้นด้วยแสง การแผ่รังสีของปั๊มจะเชื่อมต่อกับแกนเลเซอร์ผ่านพื้นผิวไฟเบอร์ อย่างไรก็ตาม หากมีการปั๊มตามแนวแกน การแผ่รังสีของปั๊มจะต้องถูกรวมเข้ากับท่อนำคลื่นที่มีขนาดเพียงไม่กี่ไมครอน ดังนั้นต้องใช้แหล่งกำเนิดรังสีปั๊มที่มีความโปร่งใสสูงเพื่อกระตุ้นเส้นใยหลายโหมด และกำลังขับปัจจุบันของแหล่งกำเนิดรังสีจำกัดอยู่ที่ประมาณ 1W เพื่อที่จะขยายกำลังของปั๊มตามสัดส่วน จำเป็นต้องจับคู่พารามิเตอร์ลำแสงของไฟเบอร์ช่องเปิดขนาดใหญ่กับอาร์เรย์เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์กำลังสูง อย่างไรก็ตาม แกนแอ็คทีฟไฟเบอร์ที่ขยายใหญ่ขึ้นช่วยให้เกิดการสั่นของโหมดตามขวางที่สูงขึ้น ซึ่งจะส่งผลให้คุณภาพของลำแสงลดลง ปัจจุบันมีการใช้การออกแบบแบบหุ้มสองชั้น กล่าวคือ ใช้ชั้นแกนแยกเพื่อปั๊มและปล่อยเลเซอร์ และได้ผลลัพธ์ที่ดี

เลเซอร์ไฟเบอร์หุ้มสองชั้น

เส้นใยเจือสองชั้นประกอบด้วยสี่ส่วน: แกนกลาง หุ้มด้านใน หุ้มด้านนอก และชั้นป้องกัน

หน้าที่ของแกนไฟเบอร์คือการดูดซับแสงปั๊มที่เข้ามาและจำกัดแสงเลเซอร์ที่แผ่ออกมาในแกนกลาง ในฐานะที่เป็นท่อนำคลื่น ให้จำกัดแสงเลเซอร์เพื่อส่งผ่านแกนกลางและควบคุมโหมด

บทบาทของชั้นหุ้มชั้นในคือการห่อหุ้มแกนกลางและจำกัดแสงเลเซอร์ที่แผ่ออกมาภายในแกนกลาง ในฐานะที่เป็นท่อนำคลื่น การส่งผ่านแสงแบบหลายโหมดของปั๊มควบคู่ไปกับชั้นหุ้มด้านในทำให้แสงสะท้อนกลับไปกลับมาระหว่างชั้นหุ้มด้านในและชั้นหุ้มด้านนอก ผ่านแกนไฟเบอร์โหมดเดียวและถูกดูดซึม

สำหรับเลเซอร์ไฟเบอร์แบบหุ้มสองชั้น การแผ่รังสีของปั๊มจะไม่ถูกปล่อยโดยตรงไปยังชั้นแกนกลางที่ทำงานอยู่ แต่จะปล่อยออกสู่ชั้นแกนแบบมัลติโหมดที่อยู่โดยรอบ ชั้นแกนของปั๊มก็เหมือนกับชั้นหุ้ม เพื่อให้ทราบลักษณะเฉพาะของท่อนำคลื่นแบบออปติคัลของชั้นแกนปั๊มถึงชั้นแกนที่ทำงานอยู่ การเคลือบโดยรอบจะต้องมีดัชนีการหักเหของแสงเล็กน้อย โดยปกติ แก้วซิลิกาเจือฟลูออรีนหรือพอลิเมอร์ที่มีความโปร่งใสสูงที่มีดัชนีการหักเหของแสงต่ำ เส้นผ่านศูนย์กลางทั่วไปของแกนปั๊มคือหลายร้อยไมครอน และรูรับแสงที่เป็นตัวเลข NA≈0.32~0.7 ดังแสดงในรูปที่ 2.14

การแผ่รังสีที่ปล่อยออกมาไปยังแกนปั๊มจะถูกรวมเข้ากับแกนเลเซอร์ตลอดความยาวทั้งหมดของเส้นใย ซึ่งจะถูกดูดซับโดยไอออนของแรร์เอิร์ธ และแสงระดับสูงทั้งหมดก็ตื่นเต้น การใช้เทคโนโลยีนี้ทำให้การแผ่รังสีของปั๊มแบบหลายโหมดสามารถเปลี่ยนจากเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์กำลังสูงไปเป็นการแผ่รังสีเลเซอร์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ และมีคุณภาพลำแสงที่ยอดเยี่ยม

ลักษณะทางเทคนิคของแหล่งกำเนิดไฟเบอร์เลเซอร์

ไฟเบอร์เลเซอร์ให้ความเป็นไปได้ในการเอาชนะข้อจำกัดของกำลังขับที่สอบเทียบของเลเซอร์โซลิดสเตตในขณะที่รักษาคุณภาพของลำแสงไว้ คุณภาพของลำแสงเลเซอร์ขั้นสุดท้ายขึ้นอยู่กับโปรไฟล์ดัชนีการหักเหของแสงของเส้นใย และโปรไฟล์ดัชนีการหักเหของแสงของเส้นใยในท้ายที่สุดจะขึ้นอยู่กับขนาดเรขาคณิตและรูรับแสงที่เป็นตัวเลขของท่อนำคลื่นที่เปิดใช้งาน เมื่อมีการเผยแพร่โหมดพื้นฐาน การสั่นของเลเซอร์จะไม่เกี่ยวข้องกับปัจจัยภายนอก ซึ่งหมายความว่าเมื่อเปรียบเทียบกับเลเซอร์โซลิดสเตตอื่น (แม้จะปั๊มเซมิคอนดักเตอร์) ไฟเบอร์เลเซอร์ไม่มีเอฟเฟกต์เทอร์โมออปติก

ผลกระทบของปริซึมที่เกิดจากความร้อนและผลกระทบของการหักเหของแสงที่เกิดจากแรงดันในบริเวณที่ทำงานจะทำให้คุณภาพของลำแสงลดลง เมื่อขนส่งพลังงานของปั๊ม ไฟเบอร์เลเซอร์จะไม่สังเกตเห็นประสิทธิภาพที่ลดลงแม้จะใช้กำลังสูง

สำหรับแหล่งกำเนิดไฟเบอร์เลเซอร์ โหลดความร้อนที่เกิดจากกระบวนการสูบน้ำจะขยายไปยังพื้นที่ที่ยาวขึ้น เนื่องจากอัตราส่วนพื้นที่ผิวต่อปริมาตรที่ใหญ่ขึ้น ผลกระทบจากความร้อนจึงง่ายต่อการกำจัด ดังนั้น อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นของแกนไฟเบอร์เลเซอร์จึงมีน้อยเมื่อเทียบกับเลเซอร์ปั๊มเซมิคอนดักเตอร์ที่เป็นของแข็ง ดังนั้น เมื่อเลเซอร์ทำงาน ประสิทธิภาพควอนตัมจะลดลงเนื่องจากอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น ซึ่งมีบทบาทรองในเลเซอร์ไฟเบอร์

เมื่อนำมารวมกัน แหล่งกำเนิดไฟเบอร์เลเซอร์มีข้อดีหลัก ๆ ดังต่อไปนี้

• ใยแก้วนำแสงเป็นสื่อคลื่นนำมีประสิทธิภาพในการมีเพศสัมพันธ์สูง เส้นผ่านศูนย์กลางแกนเล็ก ความหนาแน่นของพลังงานสูงเกิดขึ้นได้ง่ายในแกนกลาง และสามารถเชื่อมต่อกับระบบสื่อสารใยแก้วนำแสงปัจจุบันได้อย่างง่ายดายอย่างมีประสิทธิภาพ และเลเซอร์ที่เกิดขึ้นมีประสิทธิภาพการแปลงสูงและต่ำ เกณฑ์เลเซอร์. คุณภาพของลำแสงที่ส่งออกนั้นดีและความกว้างของเส้นนั้นแคบ
• เนื่องจากใยแก้วนำแสงมีอัตราส่วนพื้นผิวต่อปริมาตรมาก การกระจายความร้อนจึงดี และอุณหภูมิแวดล้อมจะอยู่ระหว่าง -20 ~ +70 ℃ โดยไม่ต้องใช้ระบบระบายความร้อนด้วยน้ำขนาดใหญ่ มีเพียงการระบายความร้อนด้วยอากาศอย่างง่าย
• สามารถทำงานได้ในสภาพแวดล้อมที่ไม่เอื้ออำนวย เช่น แรงกระแทกสูง แรงสั่นสะเทือนสูง อุณหภูมิสูง และสภาพที่มีฝุ่นมาก
• เนื่องจากไฟเบอร์ออปติกมีความยืดหยุ่นสูง เลเซอร์สามารถออกแบบให้มีขนาดเล็กและยืดหยุ่นได้ รูปลักษณ์กะทัดรัด ง่ายต่อการรวมระบบ และคุ้มค่า
• มีพารามิเตอร์ที่ปรับแต่งได้และหัวกะทิค่อนข้างมาก ตัวอย่างเช่น ตะแกรงไฟเบอร์ Bragg ที่มีความยาวคลื่นและการส่งผ่านที่เหมาะสมจะถูกเขียนโดยตรงที่ปลายทั้งสองของเส้นใยหุ้มสองชั้นเพื่อแทนที่ช่องเรโซแนนซ์ที่เกิดจากกระจกสะท้อน เลเซอร์รามันแบบไฟเบอร์ทั้งหมดประกอบด้วยวงแหวนไฟเบอร์แบบทิศทางเดียว ซึ่งเป็นช่องท่อนำคลื่นแบบวงกลม สัญญาณในช่องจะถูกขยายโดยตรงโดยไฟปั๊มโดยไม่มีการผกผันของประชากร