Длина волны лазерного излучения: длина волны, цвет, мощность, интенсивность, спектр

длина волны, цвет, мощность, интенсивность, спектр

Просмотров: 101119

Лазерное излучение является видом физической энергии, не встречающимся в природных источниках света. Оно вырабатывается специальными приборами — оптическими квантовыми генераторами (ОКГ) различной конструкции, получившими название – лазеры (от английского словосочетания Light amplification by stimulated emission of radiation — LASER). Принципы его выработки ОКГ были одновременно и независимо открыты в начале 60-х годов российскими и американскими физиками, а уже в конце того же десятилетия были предприняты первые попытки лечебного применения низкоинтенсивных (терапевтических) лазеров, в том числе и для косметологии.

Полупроводниковые и газо-жидкостные лазеры

Лазерное излучение испускается атомами рабочего вещества ОКГ, которое может быть представлено газом, жидкостью, кристаллом, полупроводником.

Лазерное излучение – это электромагнитное излучение оптического диапазона (светового), обладающее такими свойствами как когерентность, монохроматичность, поляризованность и направленность потока излучения, что позволяет создать строго определённую мощность воздействия на поверхности облучаемого объекта.

Лазер – это прибор, который испускает направленный пучок когерентного, поляризованного, монохроматичного электромагнитного излучения, т.е. света в очень узком спектральном диапазоне.

Физические свойства излучения

• Монохроматичность (одноцветность) – все электромагнитные колебания потока имеют одинаковую частоту и длину волны.
• Когерентность (синфазность) — совпадение фаз электромагнитных колебаний.
• Поляризация — фиксированная ориентация векторов электромагнитного излучения в пространстве относительно направления его распространения.
• Направленность — малая расходимость потока излучения.

Особые свойства позволяют концентрировать энергию со строго определенными физическими параметрами и высоким потенциалом биологического и лечебного действия на поверхности объекта. Именно в этом заключается принципиальное отличие от других форм лучистой энергии.

Длина волны лазера

Волна – возмущение (изменение состояния среды или поля), распространяющееся в пространстве с конечной скоростью.

Длина волны — расстояние, на которое распространяется волна за период, равный расстоянию между двумя ближайшими точками среды, колеблющимися в одной фазе. Длина волны электромагнитного излучения оптического диапазона измеряется в нанометрах (нм) или микрометрах (мкм) (1 мкм = 1 000 нм).

Частота импульсов лазера

Частота колебаний (импульсов) – физическая величина, равная числу колебаний (импульсов), совершаемых за единицу времени. Единица измерения в СИ – герц (Гц). 1 Гц – эта частота, при которой 1 колебание совершается за одну секунду.

Мощность лазера

Мощность излучения — средняя мощность, переносимая через какую-либо поверхность. Единица измерения в СИ — Ватт (Вт). Плотность мощности — отношение потока излучения к площади поверхности, перпендикулярной к направлению распространения. Единица измерения в СИ — Вт/см2.

Доза облучения — энергетическая облученность за определенный промежуток времени. Единица измерения в СИ — Дж/м2. 1Д – энергия, полученная при воздействии излучением мощностью в 1 Вт за 1 с. 1 Дж = 1 Вт/1с.

Длина волны лазерного излучения

Одной из важнейших характеристик является длина волны (измеряется в нанометрах или микрометрах). В зависимости от длины волны может принадлежать к различным участкам спектра: ультрафиолетовому, видимому (чаще красному) и инфракрасному.

Спектр лазерного излучения (цвет лазера)

Ультрафиолетовый диапазон

Видимый спектр

• Фиолетовый 400-450 нм.
• Синий 450-480 нм.
• Голубой 480-510 нм.
• Зелёный 510-575 нм.
• Жёлтый 575-585 нм.
• Оранжевый 585-620 нм.
• Красный 620-760 нм.

Инфракрасный диапазон

• Ближняя область 760 нм -15 мкм.
• Дальняя область 15-30 мкм.

В физиотерапии наиболее часто применяют ближний инфракрасный диапазон, который обладает наибольшим проникающим действием и мягкими биологическими и лечебными эффектами.

Интенсивность лазерного излучения

В зависимости от выходной мощности лазеры подразделяются на:

1. Низкоэнергетические (плотность мощности излучения менее 0.4 Вт/см2).
2. Среднеэнергетические (плотность мощности излучения 0.4-10 Вт/см2).
3. Высокоэнергетические (плотность мощности излучения более 10 Вт/см2).

Оцените материал:

Средний рейтинг: 4.7 / 5

Наталия Баховец

Автор статьи: кандидат медицинских наук, физиотерапевт, косметолог, аспирант кафедры физиотерапии СПбГМА им. И.М. Мечникова, автор многочисленных книг и методических пособий по аппаратной косметологии,
руководитель и методолог учебного центра АЮНА.

Альтернативные длины волн CO2 лазеров

Альтернативные длины волн CO2 лазеров

Почему длина волны излучения лазера важна

Любой материал имеет характерный спектр поглощения — то есть существуют определенные длины волн света, которые данный материал поглощает сильнее, чем другие. Почему это важно? Лазеры излучают свет на определенных длинах волн. При совпадении длины волны излучения источника света с полосой поглощения материала, результаты применения лазера будут более качественными и продолжительность процесса сократится.

Типы лазеров

Одной из определяющих характеристик типов лазеров является генерируемая длина волны.

CO2 лазеры излучают в ИК области спектра, около 9,3 — 10,6 мкм (рисунок 1), при этом наиболее часто используемая длина волны – 10,6 мкм. Излучение углекислотного лазера совпадает со спектром поглощения полимеров, керамики, текстиля, природных материалов, таких как бумага или дерево, и некоторых металлов. В то время как источники света, генерирующие короткие длины волн, такие как Nd: YAG или волоконные лазеры, лучше поглощаются металлами.

Длины волн СО2 лазера

После выбора типа лазера, существуют варианты оптимизации рабочей длины волны под конкретный материал. Для CO2 лазера обычно доступны три длины волны излучения: 9,3 мкм, 10,2 мкм и 10,6 мкм, каждая из которых находит применение в разных приложениях.

Примеры применения СО2 лазера

Обратите внимание, что хотя длины волн 10,2 и 9,3 мкм превосходно подходят для обработки полимеров, перечисленных выше, они также могут быть использованы и для более распространенных материалов. Если вы планируете обработку различных материалов, инженер по приложениям может помочь выбрать оптимальную длину волны для ваших задач.

Примеры применения: Полипропилен

На рисунке 2 приведен спектр поглощения полипропилена с вертикальными отметками длин волн излучения СО2 лазера. Красными линиями отмечены 9,3 мкм и 10,6 мкм слева

Рисунок 2. Спектр поглощения ПП

направо соответственно. Длина волны 10,2 мкм, обозначенная зеленой линией, соответствует сильному пику поглощения материала. Следовательно, мы ожидаем лучших результатов маркировки и резки ПП при использовании 10,2 мкм, чем других длин волн углекислотного лазера.

Примеры применение: Полиэтилентерефталат

На спектре поглощения ПЭТ (рисунок 3) двумя красными линиями указаны длины волн 10,2 мкм и 10,6 мкм слева направо соответственно. Излучение 9,3 мкм отмечено зеленой линией и совпадает с пиком поглощения материала, поэтому мы ожидаем лучших результатов обработки ПЭТ на этой длине волны.

Рисунок 3. Спектр поглощения ПЭТ

Заключение

Выбрав подходящую длину волны лазера для материала, можно добиться более качественных результатов обработки и, как правило, увеличить скорость процесса. Оптимизация поглощения энергии лазера особенно важна для чувствительных материалов, таких как тонкие пленки, или процессов с высокими допусками, таких как выборочная резка этикеток.

© Сынрад

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Synrad на территории РФ 

Принцип образования и работы лазерного луча в стоматологии: Стоматология Столица

09.11.2021 21:18

Принцип образования лазера. Основным физическим процессом, который определяет действие лазера является вынужденное испускание излучения. Это испускание образуется при тесном взаимодействии фотона с возбужденным атомом в момент точного совпадения энергии фотона с энергией возбужденного атома (молекулы). В конечном итоге этого тесного взаимодействия атом (молекула) переходит из возбужденного состояния в невозбужденное, а излишек энергии излучается в виде нового фотона с абсолютно такой же энергией, поляризацией и направлением распространения, как и у первичного фотона. Простейший принцип работы заключается в колебании луча света между оптическими зеркалами и линзами, набирающим силу с каждым циклом. Когда достигается достаточная мощность, луч испускается. Этот выброс энергии вызывает тщательно контролируемую реакцию.

Основным физическим процессом, который определяет действие лазерных аппаратов, является вынужденное испускание излучения. Это испускание образуется при тесном взаимодействии фотона с возбужденным атомом в момент точного совпадения энергии фотона с энергией возбужденного атома (молекулы). В конечном итоге этого тесного взаимодействия, атом (молекула) переходит из возбужденного состояния в невозбужденное, а излишек энергии излучается в виде нового фотона с абсолютно такой же энергией, поляризацией и направлением распространения, как и у первичного фотона.

Простейший принцип работы стоматологического лазера заключается в колебании луча света между оптическими зеркалами и линзами, набирающим силу с каждым циклом. Когда достигается достаточная мощность, луч испускается. Этот выброс энергии вызывает тщательно контролируемую реакцию.

*Flash tube = энергия накачки

Mirrored Surface = непрозрачное зеркало

Partially Mirrored Surface = частично прозрачное зеркало

Atoms = атомы

Атомы испускают фотоны, некоторые из этих фотонов двигаются в направлении, параллельном оси трубки, и они «отскакивают» назад от непрозрачного зеркала, а часть выводится в виде лазерного пучка.

Лазеры в стоматологии

Активному посреднику (газ, жидкость или твердое вещество) передается возбуждение от источника энергии, результат — монохромная (одного цвета), коллимированная (передающаяся в одном направлении), когерентная (все световые волны синхронны) лазерная энергия.

ЛАЗЕРНАЯ ЭНЕРГИЯ

МОНОХРОМНАЯ – ПРАКТИЧЕСКИ ОДНОГО ЦВЕТА

КОЛЛИМИРОВАННАЯ — ПЕРЕДАЕТСЯ В ОДНОМ НАПРАВЛЕНИИ

КОГЕРЕНТНАЯ — ВСЕ СВЕТОВЫЕ ВОЛНЫ СИНХРОННЫ

Активный посредник определяет такие характеристики лазера, как цвет и длина волны. Существует четыре типа лазеров:
Твердотельные лазеры используют лазерное вещество, распределенное в твердой матрице. Одним из примеров является Неодим — YAG лазер. Термин YAG является сокращением для кристалла: алюмоиттриевый гранат, который служит как носитель для ионов неодима. Этот лазер излучает инфракрасный луч с длиной волны 1,064 микрометра. Вспомогательные устройства, которые могут быть как внутренними, так и внешними по отношению к резонатору, могут использоваться для преобразования выходного луча в видимый или ультрафиолетовый диапазон.

В газовых лазерах используется газ или смесь газов в трубке. В большинстве газовых лазеров используется смесь гелия и неона (HeNe), с первичным выходным сигналом в 632,8 нм (нм = 10-9 метра) видимого красного цвета. Впервые такой лазер был разработан в 1961 году и стал предвестником целого семейства газовых лазеров. Все газовые лазеры довольно похожи по конструкции и свойствам. Например, CO2 газовый лазер излучает длину волны 10,6 микрометров в дальней инфракрасной области спектра. Аргоновый и криптоновый газовые лазеры работают с кратной частотой, излучая преимущественно в видимой части спектра. Основные длины волн излучения аргонового лазера — это 488 и 514 нм.

В лазерах на красителе используется лазерная среда, которая обычно является сложным органическим красителем в жидком растворе или суспензии. Наиболее значительная особенность этих лазеров — это их «приспособляемость». Правильный выбор красителя и его концентрации позволяет генерировать лазерный свет в широком диапазоне длин волн в видимом спектре или около него. В лазерах на красителе обычно применяется система оптического возбуждения, хотя в некоторых типах таких лазеров используется возбуждение при помощи химических реакций. Наиболее часто используемый лазер на красителе — это Родами 6G, который обеспечивает настраиваемость в диапазоне частот шириной 200 нм в красной части спектра (620 нм).
Полупроводниковые лазеры (иногда называемые диодными лазерами) нельзя путать с твердотельными лазерами. Полупроводниковые лазеры состоят из двух слоев полупроводникового материала, сложенных вместе. Эти лазеры обычно очень маленького размера и очень умеренной мощности. Однако они могут объединяться в большие системы. Наиболее распространенным диодным лазером является диодный лазер на арсениде галлия с основным излучением на 840 нм.

Взаимодействие лазера с тканью

Воздействие лазерного излучения на биологические структуры зависит от длины волны излучаемой лазером энергии, плотности энергии луча и временных характеристик энергии луча. Процессы, которые могут при этом происходить — поглощение, передача, отражение и рассеивание.

Поглощение — атомы и молекулы, которые составляют ткань, преобразовывают лазерную световую энергию в высокую температуру, химическую, акустическую или нелазерную световую энергию. На поглощение влияют длина волны, содержание воды, пигментация и тип ткани.

Передача — лазерная энергия проходит через ткань неизмененной.

Отражение — отраженный лазерный свет не влияет на ткань.

Рассеивание — индивидуальные молекулы и атомы принимают лазерный луч и отклоняют силу луча в направлении, отличном от исходного. В конечном счете, лазерный свет поглощается в большом объеме с менее интенсивным тепловым эффектом. На рассеивание влияет длина волны.

— Познакомьтесь как применяется лазер в нашей стоматологии

— Познакомьтесь как происходит лечение пародонтита при помощи лазера

— Познакомьтесь как происходит отбеливание зубов при помощи лазера

Основные типы взаимодействия лазера с тканью

ФОТОТЕРМИЧЕСКОЕ

Под микроскопом фототермические процессы могут быть представлены как поглощение фотона органической молекулой, которая при этом переходит в состояние вибрационного вращения, с последовательным раздражением, полученным от анелестического удара о соседнюю молекулу, к которой, таким образом, перейдет ее кинетическая энергия. Этот процесс безизлучательных потерь происходит в пределах самого короткого промежутка (1 — 100 в сек.), а последующее быстрое нагревание повысит окружающую температуру. Макроскопические, биологические эффекты фототермического типа могут быть классифицированы согласно некоторым отличиям термодинамических процессов, главным гистологическим изменениям, отображенным в таблице ниже:

ФОТОХИМИЧЕСКОЕ

— Запуск химических реакций — фотополимеризация (например, активация системы лазерного отбеливания)

— Разрушение химических связей в молекулах, вызванное лазерным излучением

Фотодинамическая терапия: создание биохимических реактивных форм кислорода

БИОСТИМУЛЯЦИЯ

Обеспечивает избавление от боли

— Стимулирует заживление ран

— Видоизменяет биологический процесс

— Поглощение лазерной энергии биологическими тканями

Пример: поглощение лазерной энергии различных типов лазеров в коже

После возбуждения, источник лазера излучает электромагнитное излучение с очень высокой направленностью и большой спектральной чистотой, с возможностью концентрации очень высокой энергии на ограниченных поверхностях. Чтобы добиться желательного клинического эффекта, излучение лазера должно поглощаться целевой тканью. Взаимодействие ткани с лазером зависит от характеристик используемого лазера, длины его волны, его эффективной мощности, форм облучения, таких как интенсивность излучения и продолжительность обработки, и от характеристик целевой ткани, количества содержания в ткани воды, гемоглобина и пигментов. Использование лазера в медицине, в частности в стоматологии, базируется на точном поглощении лазерной радиации водой, содержавшейся в тканях, гемоглобином, содержавшимся в крови и пигментами, которые находятся в некоторых тканях. Вода поглощает инфракрасное излучение, с максимальным поглощением около 3000 нм; гемоглобин представляет спектр поглощения от ультрафиолетового до видимого (немного меньше чем 640 нм), пигменты и хромофоры представляют спектр поглощения, расширенный от ультрафиолетового до близкого к инфракрасному.

*Absorption — поглощение

Wavelength — длина волны (нм)

Когда лазерный луч направлен на ткани, то вода, что составляет высокий процент ткани, поглощает энергию, преобразовывая ее в высокую температуру. С интенсивностью в несколько Вт на квадратный миллиметр, вода, находящаяся в ткани, мгновенно закипает и испаряется. Если перемещать наконечник по ткани, то луч ведет себя как скальпель, формируя разрез, глубина которого зависит от интенсивности луча и скорости движения.

Система подачи лазерного луча

Лазерная энергия от источника может подаваться к ткани с помощью различных систем доставки. В медицинских стоматологических лазерах применяются оптоволоконная и шарнирная системы подачи лазерного луча. В стоматологических лазерах DOCTOR SMILE™ для передачи используется оптоволоконная система подачи, имеющая ряд преимуществ перед шарнирной:

— гибкость, возможность применения в труднодоступных участках, эргономичность

— полное сохранение качества лазерного излучения

— не требуется сложного технического обслуживания (например, выравнивания зеркал при ударе у лазеров с шарнирной системой подачи излучения)

Классификация лазеров и безопасность

Существуют четыре класса лазеров. Вся продукция компании Lambda Scientifica относится к четвертому классу лазеров.

Лазеры класса 1. Не представляют опасности при непрерывном наблюдении или разработаны так, чтобы предотвратить попадание биоткани под лазерное излучение (например, лазерные принтеры)

Видимые лазеры класса 2. (от 400 до 700 нм). Лазеры, излучающие видимый свет, который из-за естественной человеческой отрицательной реакции обычно не представляют опасности, но могут представлять, если смотреть прямо на лазерное излучение в течение продолжительного времени

Лазеры класс 3a. Лазеры, которые обычно не причиняют вред при кратковременном попадании в глаза, но могут представлять опасность при наблюдении с использованием собирающей оптики (волоконно-оптическая лупа или телескоп)

Лазеры класс 3b. Лазеры, которые представляют опасность для глаз и кожи при прямом попадании лазерного излучения. Лазеры класса 3b не генерируют опасное диффузное отражение, за исключением попадания с близкого расстояния

Лазеры класса 4. Лазеры, которые представляют опасность для глаз в результате прямого, зеркального и диффузионного отражений. Кроме того, такие лазеры могут быть пожароопасными и вызывать ожоги на коже

Необходимые меры безопасности:

— Персонал, уполномоченный работать должен носить предоставленные защитные очки

— Запрещается направлять лазер в глаза

— Запрещается смотреть непосредственно в отверстие, где находится оптический световод

— Отверстие световода оптического диодного соединителя должно всегда оставаться закрытым, световод должен быть или вставлен или на нем должен быть защитный колпачок

— Удалите с места работы все отражающие и металлические объекты, включая личные вещи, например часы и кольца, поскольку они могут отразить лазерное излучение

— Запрещается направлять лазер на одежду

— Рекомендуется использовать только абсолютно сухую одежду соответственного цвета

— Удалить все потенциально огнеопасные материалы

— Никогда не используйте огнеопасный газ во время лазерного излучения

Выбор длины волны и мощности лазера для рамановской спектроскопии

Какая длина волны будет наилучшей для Рамановской спектроскопии?

В первую очередь, это зависит от анализируемой пробы: При выборе лазера необходимо учитывать слабые комбинационные рассеиватели, термически чувствительные материалы, возможную флуоресценцию образца, а также необходимый спектральный диапазон в условиях рамановского сдвига, который является важным при комбинационном анализе образца.

Исходя из принципов комбинационного рассеяния следует, что при прочих равных условиях, сечение комбинационного рассеяния (параметр, который относится к интенсивности рассеяния) возрастает с уменьшением длины волны. Другими словами, все другие факторы остаются постоянными, а образец будет показывают более высокое рассеяние на длине волны 532 нм, чем на 785 нм. Интенсивность рассеяния линейно возрастает с увеличением мощности лазера.

Вероятность флуоресценции выше при более низких значениях длин волн. Другими словами, образец имеет более высокую вероятность флуоресценции при 532 нм, чем при 785 нм (см. рис.).

Спектральный диапазон ПЗС-детектора длиннее при возбуждении на длине волны 532 нм (200-4000 см^-1), чем на 785 нм (200-3000 см^-1). Тем не менее, большинство идентификационных данных располагается в диапазоне 200-2700 см^-1, а, следовательно, дополнительные преимущества расширенного диапазона не имеют особого значения.

Хотя выбор длины волны лазерного излучения предоставлен конечному пользователю, мы настоятельно рекомендуем системы с длиной волны 785 нм как лучший выбор для большинства образцов!

Существует ли возможность смены лазера или переключаться между двумя лазерами с разной длиной волны?

Нет, все оптические компоненты системы оптимизирована для определенной длины волны излучения.

Существует ли возможность изменять уровень мощности лазерного излучения?

Уровень мощности лазера 785 нм изменяется с помощью программного обеспечения. Так как это диодный лазер, мощность легко регулируется с помощью электронных средств.

Для систем 532 нм используются твердотельные лазеры (DPSS), уровень мощности которых не может быть скорректирован.

При работе с любыми лазерами, мы рекомендуем использовать защитные очки, которые входят в комплект поставки любого рамановского спектрометра (например, PeakSeeker, или PeakSeeker Pro).

Kонтроль лазерного излучения — спектрометр для контроля длины волны лазера

Данная комплектация компактного спектрометра высокого разрешения S150-2-3648USB-Е является универсальной. Прибор состоит из двух спектрографов (каналов), конструктивно расположенных в одном корпусе. Каждый из спектрографов построен по оригинальной вертикально-симметричной оптической схеме, что позволяет добиваться низкого уровня рассеянного света и высокого качества изображения на плоском поле.

Важнейшей особенностью спектрометра для контроля длины волны лазерного излучения является его высокое разрешение, что делает его незаменимым для каждой лазерной лаборатории. Использование прибора с решеткой Эшелле позволяет без труда решать задачи связанные с контролем длины волны лазерных источников любых типов.

Однако, прибор можно использовать и как классический спектрометр с различным набором  дифракционных решеток, что позволяет выбирать нужный спектральный диапазон и спектральное разрешение.

Достоинства:

• Возможность автоматического отслеживания положения пиков и измерения их характеристик
• Универсальность
• Высокое разрешение для малогабаритного прибора
• Широкий спектральный диапазон от УФ до ближнего ИК
• Моноблочная конструкция со встроенными детекторами
• Компактность

Спектральное разрешение (пм/пиксель) для канала Эшелле
в двухканальном спектрометре S150-2-3648USB

Технические характеристики

Дополнительные технические характеристики при использовании спектрометра в качестве измерителя длины волны излучения перестраиваемого титан-сапфирового лазера СF131M.

Канал – 1 (Эшелле)

Cпектрометр для контроля длины волны лазера:

Фотоника — научно-технический журнал — Фотоника

Перестройку выходной длины волны лазера можно реализовать в достаточно широком диапазоне. Обычно это делается автоматически под управлением компьютера. Приложения, для которых это требуется, можно разделить на две основные категории. В первой их них это делается в случае, если нужно получить одну или несколько отдельных длин волн, которые нельзя получить от какого-то одночастотного или многочастотного лазера. Во второй – характерным является случай, когда нужно получить волну, непрерывно перестраиваемую в процессе эксперимента или испытания, как, например, в спектроскопии или в экспериментах с лазерным зондированием.
Существует ряд типов перестраиваемых лазеров, включающих непрерывные и импульсные (наносекундные, пикосекундные и фемтосекундные) лазеры, работающие с использованием различных лазерных сред. Хотя перестраиваемые лазеры могут быть реализованы различными способами, они имеют две общие особенности – среду, которая может создавать непрерывное излучение волн в широком диапазоне, и оптические элементы, позволяющие выделить определенную длину волны или полосу длин волн в этом диапазоне. Данная статья [1] объясняет функционирование некоторых наиболее общих типов перестраиваемых лазеров, доступных сегодня.

Наносекундные импульсные лазеры на красителях

Импульсные лазеры на красителях относятся к типу наиболее концептуально простых перестраиваемых лазеров.
В общем случае среда генерации этих лазеров представляет собой кювету флуоресцирующего раствора красителя. Этот краситель оптически накачивается лазером, работающим на фиксированной длине волны. Им может быть, например, неодимовый Nd:YAG-лазер с модуляцией добротности (с длиной волны 532 или 335 нм), эксимерный лазер (308 нм) или азотный лазер (337 нм). В зависимости от частоты повторения и выходной мощности лазера накачки краситель в кювете циркулирует под действием каждого импульса из охлажденного резервуара в свежерелаксированный краситель.
Ячейка с красителем находится в резонаторной полости, которая формируется устройством вывода излучения и дифракционной решеткой (а не обычным задним зеркалом с высокой отражающей способностью). Эта связка работает как избирательный отражатель – только одна длина волны эффективно отражается назад в резонансную полость. Для максимизации эффекта действия решетки и минимизации ширины полосы спектра выходной длины волны важно, чтобы лазерный пучок покрывал достаточно большую площадь данной решетки (рис.1).
Лазеры на красителях обычно используют одну из двух схем построения. В схеме Литтмана дифракционная решетка располагается под углом скольжения к падающему световому лучу, а в конце резонаторной полости используется зеркало с высокой отражательной способностью. В схеме Литтроу, напротив, используется призменный телескоп для распределения луча по поверхности решетки, которая действует и как оконечное зеркало. В некоторых лазерах, таких как лазеры на красителях компании Spectra-Physics (Sirah), обе эти схемы объединяются в схему с двойной решеткой, позволяющей достичь ширины линии излучения порядка 0,03 см-1.
Выходной луч генератора обычно усиливается в одной или нескольких ячейках с красителем. На практике только 10–20% мощности лазера накачки используется для возбуждения генератора; остальная мощность используется для накачки усилительных каскадов. Ячейки усилителя обычно не имеют оптики для формирования резонаторной полости и являются каскадами однопроходного усиления, которые лазерный пучок проходит только один раз.
Применяя различные красители и неодимовый Nd:YAG-лазер накачки, обеспечивающий длину волны накачки 532 или 355 нм, от лазеров на красителях можно получить диапазон перестройки порядка 380–1500 нм, тогда как обычно один краситель перестраивается не более чем на несколько десятков нанометров. Непрерывные улучшения схем генераторов позволяют достичь ширины линии излучения порядка 0,03 см-1. Энергия выходного пучка при этом может быть более 250 мДж.
Длительность выходного импульса и частота его повторения зависят от лазера накачки. Типовыми считаются частоты повторения в диапазоне 10–100 Гц при длительности выходного импульса порядка 10 нс. Такая малая длительность и большая энергия импульса означают, что выходная последовательность может быть эффективно сдвинута в другой диапазон длин волн путем использования техники нелинейных преобразований, такой как удвоение частоты, рамановский сдвиг и разностные смешения. Эти преобразования позволяют расширить диапазон выходного сигнала от глубокого ультрафиолета до средней ИК-области (вплоть до 3,6 мкм).
Как правило, эти типы лазеров применяются для фотохимического зондирования, в экспериментах с томпсоновским рассеянием в физике высоких энергий и дистанционным атмосферным зондированием. Особенно интересным приложением является планарная лазерно-индуцированная флуоресценция (PLIF), которая используется сегодня производителями печей и двигателей внутреннего сгорания для диагностики процессов горения.
Наносекундные оптические параметрические генераторы

Оптические параметрические генераторы (ОПГ) появились как твердотельная альтернатива перестраиваемым лазерам на красителях. Работа ОПГ основана на нелинейных оптических процессах, называемых параметрическим преобразованием с понижением частоты. В нелинейных кристаллах определенного типа, например LBO (борат лития) и BBO (метаборат бария), входной фотон преобразуется в пару фотонов меньшей энергии, называемых сигнальным и холостым фотонами, суммарная энергия которых равна энергии исходного фотона (рис.2). По определению энергия сигнального фотона больше энергии холостого фотона.
Этот процесс формирует сигнал на выходе только тогда, когда удовлетворяются фазовые соотношения для волновых векторов. Если это имеет место, то для заданной длины волны, при определенных температуре кристалла и угле падения пучка, может генерироваться только одна сигнальная (холостая) длина волны. Изменяя угол падения и/или температуру кристалла, можно получить перестраиваемую длину волны на выходе. Генерируя сигнальные или холостые гармоники более высокого порядка или разностные частоты при смешении сигнальных и холостых лучей можно сформировать существенно более широкий спектральный диапазон генерации, используя один ОПГ или оптический параметрический усилитель (ОПУ). Этот диапазон может простираться от ближнего ультрафиолета до средней ИК-области.
Обычно наносекундный ОПГ накачивается третьей гармоникой (355 нм) от неодимового Nd:YAG-лазера. Простейший вариант ОПГ состоит из мощного генератора, использующего неустойчивую резонаторную полость, которая поддерживает высокий уровень усиления, высокую добротность моды и низкую расходимость выходного пучка. В таком варианте характеристики выходной длины волны полностью определяются углом фазового синхронизма (и температурой) кристалла, что приводит к спектральной ширине в несколько десятков волновых чисел при длине волны порядка 500 нм.
Согласно последним данным компании Spectra-Physics, лазер на красителях, оснащенный блоком смешения (формирующим разностные частоты) и ОПУ, позволяет расширить диапазон перестройки вплоть до ИК-области: высокое разрешение было получено вплоть до 5,6 мкм при использовании формальдегида и до 6,5 мкм при использовании ацетилфенилаланина-О-метила.
Для формирования узкополосного спектра импульсов большинство коммерческих систем применяют дифракционные решетки. Такие системы поставляются с мастер-ОПГ (МОПГ). В них часть накачки используется для накачки мастер-ОПГ, в котором встроена дифракционная решетка на месте общего зеркального отражателя. Полученный в результате узкополосный выход используется как источник для мощного генератора. Оба генератора обычно размещены в одной компактной головной части. Компьютерное управление обеспечивает полностью автоматическую перестройку в диапазоне 440–700 нм (сигнальный луч) и 710–1850 нм (холостой луч). В такой конфигурации выход МОПГ имеет ширину спектра импульса порядка 0,075 см-1. Компьютер устройства осуществляет также настройку угла падения света на дополнительные кристаллы, используемые в схеме удвоения частоты для сдвига длины выходной волны МОПГ.
Наносекундные МОПГ используются во многих приложениях, в которых раньше использовались лазеры на красителях. Примечательно их использование в когерентной анти­стоксовой рамановской спектроскопии, которая применяется как метод выборки отдельных состояний молекул, имеющий большое отношение сигнал/шум.
Непрерывные Ti-сапфировые лазеры и лазеры на красителях

В течение 1970-х и 1980-х годов приложения, требующие перестраиваемого выхода непрерывного лазерного излучения, использовали струйные лазеры на красителях, накачиваемые аргоновыми лазерами. Эти лазерные системы с ионной накачкой, хотя и давали очень узкую линию излучения, имели ряд недостатков и были трудны в управлении. В 1987 году появились Ti-сапфировые лазеры, которые стали хорошей альтернативой лазерам на красителях для многих приложений. В 1996 году компания Spectra-Physics выпустила лазеры типа Millennia – твердотельные лазеры с накачкой зеленым светом, которые стали надежной и малошумящей альтернативой лазерам с аргон-ионной накачкой. Это привело к появлению перестраиваемых твердотельных лазерных систем.
Сегодня перестраиваемые непрерывные лазеры выпускаются как в варианте лазеров на красителях, так и в варианте Ti-сапфировых лазеров, причем используются две основные конфигурации резонаторов: резонатор со стоячей волной и кольцевой лазерный резонатор.

Непрерывные лазеры со стоячей волной
Первый тип резонатора со стоячей волной можно проиллюстрировать на модели 3900S (рис.3) компании Spectra-Physics. Ti-сапфировый лазер этой модели – система, которая генерирует излучение, состоящее из множества продольных мод резонатора. Сапфировый кристалл, легированный титаном, как основной усилительный элемент, смонтирован в охлаждаемой водой башне и обеспечивает усиление длин волн в диапазоне от 675 до 1130 нм, если используется зеленый луч накачки лазера DPSS Millennia.
В стоячей волне резонатора непрерывного лазера, показанного на рис.3, настройка длины волны осуществляется пассивными элементами, стабилизирующими длину волны. Первым из них является двулучепреломляющий фильтр, состоящий из ряда пластин, или фильтр Лио (Lyot), который монтируется внутри полости под углом Брюстера, чтобы минимизировать потери на отражение. Этот элемент модулирует спектральное усиление лазерной полости, обеспечивая высокий коэффициент передачи в определенном диапазоне длин волн в пределах кривой спектрального усиления. Лазер вынужден работать на определенной длине волны, которая может изменяться путем вращения двулучепреломляющего фильтра (обозначаемого часто как BiFi). Выход такого типа лазера имеет ширину линии излучения меньше 40 ГГц (FWHM), или <1,5 см-1. Добавляя эталон внутрь резонатора, можно достичь уменьшения ширины линии до величины <1 ГГц.

Непрерывные кольцевые лазеры
Другая основная конфигурация перестраиваемого резонатора непрерывного типа – кольцевой лазер. Кольцевые лазеры применялись, начиная с 1980-х годов, для того, чтобы добиться перестройки непрерывного излучения, используя только одну продольную моду резонатора (так называемое одночастотное излучение) в спектральной полосе, доступной в субмегагерцевой области. Сначала эти лазеры использовали красители в качестве активной среды, сейчас они доступны с активной средой как на красителях, так и на Ti-сапфировом кристалле.
Основное различие между кольцевым лазером и лазером с резонатором со стоячей волной в том, что кольцевой лазер и кольцевая структура позволяют вызвать циркуляцию излучения в резонансной полости, чтобы сформировать однонаправленную бегущую волну. Эта волна благодаря своей природе не ведет к истощению определенной усилительной секции лазерной среды, что повышает готовность полости к работе в одномодовом режиме.
На рис.4 показаны основные элементы кольцевого лазера типа Matisse компании Spectra-Physics с сапфировым кристаллом, легированным титаном в качестве среды усиления. Как видно из рис.4, кольцевые лазеры используют те же селективные элементы для перестройки длины волны, что и лазеры со стоячей волной. То есть кольцевые лазеры также используют двулучепреломляющий фильтр, тонкий и толстый эталоны. Это так называемые пассивные элементы для стабилизации резонансной полости, функция которых –
выбрать одну из многих продольных мод, возникающих в усилительной среде.
В схеме лазера типа Matisse, данной на рис.4, кольцевой лазер также оснащен толстым эталоном со скоростным пьезоприводом, петля обратной связи которого гарантирует точное центрирование на выбранной моде резонансной полости.
Что же определяет фактическую ширину полосы выходного луча лазера на выходе в случае пассивно стабилизированного кольцевого лазера? Измеренная эффективная ширина полосы луча кольцевого лазера будет фактически определяться возникающими механическими перемещениями во времени и вибрацией, хотя точность активно управляемого одночастотного кольцевого лазера достаточно высока.
Существенными для обеспечения постоянства средней по времени длины резонансной полости, а следовательно, и узкополосности спектра выходного луча, являются две особенности схемы проектирования. Первая из них в том, что лазер должен выгружаться для минимизации резонансной вибрации, а также должен быть малочувствителен к паразитным акустическим возмущениям. Вторая особенность, гарантирующая узкополосность излучения, – необходимость использования высококачественных механизмов для активной стабилизации длины полости.
Эффективная пассивная стабилизация кольцевого лазера может обеспечить среднюю ширину выходной спектральной линии в районе нескольких мегагерц. Дальнейшего уменьшения ширины излучения кольцевого лазера можно достичь только введением в полость элементов активной подстройки длины кольцевой полости.
Для достижения сверхузкой спектральной ширины полосы выхода кольцевой лазер обычно использует два типа элементов стабилизации длины резонансной полости: механические зеркала с пьезоприводом, имеющим время отклика в килогерцевом диапазоне, и электрооптический модулятор мегагерцевого диапазона. Фактически в специальных лабораторных конфигурациях можно достичь спектральной ширины полосы в несколько герц.
Ключевым элементом в достижении предельно узкой спектральной ширины выхода кольцевого лазера является внешняя эталонная полость. На рис.4, например, указана внешняя эталонная полость, которая используется лазером типа Matisse для создания «абсолютного» эталонного сигнала, необходимого при формировании длины лазерной полости. Эту внешнюю ячейку можно эффективно термоизолировать от окружающей среды. Ее также можно изолировать механически и акустически, чтобы исключить любые случайно возникающие перемещения и возмущения. В идеале эталонная ячейка хорошо изолируется как механически, так и температурно, от собственной полости кольцевого лазера для исключения любой связи между ними.
Для формирования сигнала электрооптической обратной связи от эталонной полости к устройству стабилизации длины резонансной полости лазера используется метод Паунда-Дривера-Холла (Pound-Drever-Hall). Электрооптический (ЭО) модулятор формирует боковые полосы пучка сравнения на том выходе лазера, который подается на эталонную полость. Электронная схема, анализирующая эти боковые полосы, генерирует эффективный сигнал обратной связи, который служит для стабилизации лазерной полости.
Кольцевой лазер можно также использовать вместе с внешней полостью удвоителя частоты, как это сделано в лазерах типа Wave-Train компании Spectra-Physics, для создания излучения, перестраиваемого в УФ-диапазоне: 205–500 нм.

Быстродействующий Ti-сапфировый лазер с синхронизацией мод
Непрерывный лазер, основанный на среде с широкополосным усилением (такой как Ti-сапфир или краситель), может быть лазером с синхронизацией мод, генерирующим поток очень коротких (пикосекундных или фемтосекундных) импульсов. Такие лазеры часто называются сверхбыстродействующими (СБ) лазерами. Как описано в работе [1], синхронизация мод может быть введена путем модуляции усиления лазерной полости с интервалом, соответствующим времени обращения сигнала в этой полости, то есть времени, нужном для прохождения фотоном резонансной полости туда и обратно. Сегодня большинство лазеров с синхронизацией мод являются Ti-сапфировыми лазерами. Синхронизация мод в них может быть достигнута несколькими путями. Одним из них, надежно работающим во всем диапазоне Ti-сапфирового лазера, является использование акусто-оптического (АО) модулятора в качестве высокоскоростного переключателя. Схема такого типа лазера показана на рис.5. Частота повторения импульсов лазера с синхронизацией мод зависит от длины резонансной полости и достигает 80 МГц для широко используемых коммерческих лазеров.
Одним из наиболее важных достижений в этой области была разработка моноблочных Ti-сапфировых лазеров, таких как Mai Tai компании Spectra-Physics. В нем перестраиваемый Ti-сапфировый генератор и твердотельный лазер накачки помещены в одну компактную лазерную головку.
Длительность импульса лазера обратно пропорциональна полосе пропускания, поэтому быстродействующие лазеры, естественно, широкополосны. Например, лазер с шириной импульса 50 фс при длине волны 800 нм имеет ширину спектральной линии порядка 15 нм. Некоторые СБ-лазеры имеют опцию, позволяющую изменять резонансную полость, чтобы сузить спектр выходного импульса за счет увеличения длины импульса. Минимальная достигнутая ширина линии для коммерческого Ti-сапфирового лазера с синхронизацией мод составляет 0,008 нм (0,1 см-1) при длине импульса 100 пс. Такие лазеры с перестраиваемыми пикосекундными импульсами очень полезны для многих приложений в молекулярной спектроскопии.
Сверхбыстродействующие ОПГ и усилители

Одним из недостатков Ti-сапфировых лазеров по сравнению с лазерами на красителях является то, что их спектральный диапазон ограничен с одной стороны красной областью,
с другой – близкой ИК-областью (<690 нм и >1080 нм). Хотя частоты таких лазеров могут быть удвоены и даже утроены, спектральный диапазон в области видимых и ИК-областей спектра остается недоступным для Ti-сапфировых лазеров и их гармоник. Те же, кому нужен перестраиваемый СБ-выход в этих областях, используют Ti-сапфировый лазер с фиксированной длиной волны для накачки оптического параметрического генератора. Для приложений, требующих больших энергий в импульсе, приходится использовать схему, состоящую из Ti-сапфирового генератора с синхронизацией моды и Ti-сапфирового усилителя для накачки ОПУ.
Принцип работы оптического параметрического СБ-генератора фактически тот же, что и наносекундных устройств, описанных выше, с единственным исключением – синхронизацией. Внутри резонатора СБ-лазера или ОПГ свет представлен короткими импульсами, которые движутся вперед и назад в его границах. Но в отличие от обычного лазера, среда, формирующая перестраиваемый выход, не может сохранять усиление. Кристалл ОПГ может только излучать импульс тогда, когда присутствует импульс накачки. Поэтому для успешного функционирования СБ-ОПГ важно, чтобы импульсы источника накачки приходили к кристаллу точно в тот же момент времени, что и пустые и сигнальные фотоны, циркулирующие в ОПГ-полости. Другими словами, Ti-сапфировый лазер с фиксированной длиной волны и СБ-ОПГ должны иметь одну и ту же частоту повторения импульсов. Этот вариант носит название синхронной накачки. Он требует, чтобы и лазер и ОПГ имели точно такую же длину резонатора.
Типичная схема СБ-ОПГ приведена на рис.6. Активным кристаллом обычно служит LBO. Согласование фаз и длина полости при этом контролируются и управляются автоматически, чтобы можно было выбрать желаемую длину волны и быть уверенным, что время прохода луча этой длины волны осталось тем же самым (80 МГц для Ti-сапфирового лазера накачки). Такой тип ОПГ генерирует сигнальный и холостой выходы в диапазоне длин волн 1,1–2,6 мкм с импульсами шириной 130 фс. Этот выход может быть позднее подвергнут процедуре удвоения частоты для формирования диапазона перестройки в области видимого света, заполняющего пробел между основным выходом и выходом второй гармоники Ti-сапфирового лазера. Типичными приложениями для таких устройств являются исследования солитонов, СБ-эксперименты типа «накачка-зонд» и колебательная спектроскопия с временным разрешением.
ОПУ (как и ОПГ) использует тот же нелинейный оптический процесс, но так как импульсы накачки имеют большую амплитуду, то для достижения эффективного преобразования длины волны оптического резонатора не требуется. Как показано на рис.7, небольшая часть входного светового пучка фокусируется на сапфировом окне, чтобы сгенерировать континуум белого света. Он используется для того, чтобы подсветить (seed) кристалл ОПУ (обычно BBO), в котором континуум подвергается однопроходному усилению на сигнальной и пустой длинах волн. Полученный выход, отраженный от зеркала, снова усиливается на втором этапе однопроходного усиления, который использует другую часть того же кристалла BBO. Центральная длина волны выходного сигнала, как и раньше, управляется условиями фазового совпадения данного кристалла, а ширина полосы спектра в общем случае определяется шириной полосы пучков накачки и подсветки или полосой пропускания кристалла.
При накачке с помощью Ti-сапфирового усилителя этот тип ОПУ может работать в фемтосекундном и пикосекундном диапазонах с импульсами, энергия которых достигает 200 Дж/имп. Длина волны при этом может перестраиваться от 1,1 до 3,0 мкм. Используя возможные режимы конвертации, включая разностное смешение частот, ОПУ может покрыть диапазон длин волн от 300 нм (УФ) до 10 мкм (дальняя ИК-область). Основные приложения таких систем – сложные системы типа «накачка-зонд», требующие много импульсов различной длины волны, синхронизированных во времени, например при исследовании неустановившегося поглощения с временным разрешением.

СБ-лазеры на красителях с синхронной накачкой
До того, как появились Ti-сапфировые лазеры с синхронизацией мод и ОПГ, исследователи часто применяли лазеры на красителях с синхронной накачкой для получения перестраиваемых фемтосекундных и пикосекундных импульсов. Эти лазеры относились к типу струйных лазеров на красителях с синхронной накачкой импульсами (частотой 76–80 МГц) от коммерческих зеленых СБ-лазеров на красителях.
Такие лазеры первоначально продавались как системы с неодимовыми Nd:YAG-лазерами с ламповой накачкой, формирующими на выходе импульсы с частотным удвоением и длиной волны 532 нм. Однако производители прекратили производство зеленых лазеров с синхронизацией мод несколько лет тому назад. Вместе с тем обладатели лазеров на красителях все еще заинтересованы в поддержании функционирования или в восстановлении работы своих систем. Тому есть две причины. Во-первых, потребители пытаются избежать (при ограниченном бюджете) капиталовложений в новые Ti-сапфировые системы для научных исследований. Во-вторых, многие лазеры на красителях уже достигли области видимого спектра, что требует нескольких преобразований длины волны от СБ-лазерных систем на базе Ti-сапфировых лазеров.
Упомянутые лазеры на красителях обязаны сегодня своим возрождением появлению твердотельных зеленых лазеров. В частности, разработка неодимовых Nd:YVO4-лазеров с диодной накачкой и пассивной синхронизацией мод позволила обеспечить надежный источник импульсов с синхронизацией мод и длиной волны 532 нм. Фактически, коммерческие модели были специально разработаны для того, чтобы оптимизировать синхронную накачку существующего парка СБ-лазеров на красителях. Эти системы сейчас снова используются для приложений, таких как СБ-спектроскопия с временным разрешением, включая эксперименты типа «накачка-зонд».
Перестраиваемые лазерные источники существуют практически столько же, сколько и собственно лазеры. Поэтому сегодня существует большой выбор коммерческих технологий, способных удовлетворить широкий спектр приложений от квантовой химии до нелинейной оптики.
Литература

1. Juchmann W., David V. Pulsed Lasers. Supercharging Peak Output. –
www.photonics.com/content/handbook/2006/lasers/81918.aspx
2. Ph.Feru, L.McCrumb. Tunable laser technology.–
www.photonics.com/content/handbook/2006/lasers/63569.aspx

Тематические статьи по фотонике

Полупроводниковые лазеры, стабилизированные по длинам волн с помощью объемных голографических Брэгговских решеток

Мощные многомодовые полупроводниковые лазеры (Laser Diodes, LD), с выходными оптическими мощностями > 1 Вт, а также стеки полупроводниковых лазеров, с выходными мощностями в десятки, или даже сотни Вт, применяются в таких применениях как медицина, обработка материалов, а также для накачки твердотельных лазеров. Спрос на мощные полупроводниковые лазеры велик и постоянно растет.

Полупроводниковые лазеры обычно позволяют получить 1 Вт оптической мощности с области эмиттера с площадью 100 x 1 мкм², хотя некоторые полупроводниковые лазеры позволяют получить излучение с мощностью до 4 Вт с той же площади. Однако спектральные характеристики излучения полупроводниковых лазеров обычно не контролируются. Допуск выставления рабочей длины волны излучения типичного полупроводникового лазера равен ±3 нм, а полная ширина на полувысоте спектральной линии составляет величину ~ 3 нм.

Рабочая длина волны типового полупроводникового лазера сильно зависит от температуры, температурный коэффициент составляет величину dλ/dT = 0.3 нм/°C. Кроме того, рабочие длины волн мощных полупроводниковых лазеров смещаются со временем (смещение в длинноволновую область спектра), ограничивая срок службы полупроводниковых лазеров 10 000 часами эксплуатации.

Учитывая, что стоимость полупроводниковых лазеров может превышать 10$ за 1 Вт оптической мощности при большой потребности (например для производства линеек полупроводниковых лазеров для накачки твердотельных лазеров Nd:YAG), и сотни долларов за 1 Вт оптической мощности при штучных потребностях, небольшой срок службы полупроводниковых лазеров крайне нежелателен.

Корпорация PD-LD (Пеннингтон, Нью-Джерси, США) недавно продемонстрировала технологию, позволяющую значительно улучшить спектральные характеристики мощных полупроводниковых лазеров. Технология основана на использовании запатентованных объемных голографических Брэгговских решеток «LuxxMaster», позволяющих зафиксировать и сузить рабочие длины волн лазеров (см. табл. 1).

Использование объемных голографических Брэгговских решеток (VBG®-Volume Bragg Grating) позволяет преобразовать многомодовые лазерные диоды или линейки полупроводниковых лазеров в очень узкополосные источники излучения с прецизионно выставленными рабочими длинами волн и очень низкими чувствительностями к колебаниям температуры. Полупроводниковые лазеры с такими характеристиками позволят достичь значительного прогресса в приложениях, в которых используются полупроводниковые лазеры.

Большинство технологий получения объемных дифракционных решеток основаны на использовании бихромированного желатина в качестве фоточувствительного материала, однако существуют работы, в которых использовались фоторефрактивные полимеры или электрооптические кристаллы. В отличие от этих технологий изготовление объемных Брэгговских решеток основано на использовании неорганических фоторефрактивных стекол, чей коэффициент преломления изменяется при облучении УФ излучением. Так как стекло выполнено на основе диоксида кремния, получающиеся голографические фильтры являются физически и химически стабильными, по сравнению с голографическими фильтрами, записанными на бихромированном желатине, фоторефрактивных полимерах или на кристаллах с невысокими стабильностями размеров, а также низкими порогами оптического разрушения, которые не обеспечивают долгосрочного хранения записанных голограмм.

Свойства объемных Брэгговских решеток оставались неизменными после цикла нагрева до 200 °C. Значения физических параметров, таких как химическая стабильность, твердость и порог оптического разрушения подобны значениям распространенных оптических стекол, например BK7. Кроме того, обычно используются объемные Брэгговские решетки с толщинами от 0.5 до 10 мм, что намного больше толщин бихромированных желатиновых пленок, которые обычно составляют <0.05 мм. Зависимость ширины спектральной линии Δλ от толщины объемной Брегговской решетки описывается выражением:

∆λ/ λ = λ/2nd = Λ/d = 1/N (1)

Где λ- резонансная длина волны (Bragg wavelength), n- коэффициент преломления решетки, Λ- период объемной Брэгговской решетки, N- количество плоскостей объемной Брэгговской решетки, укладывающееся на толщине объемной Брэгговской решетки

Из выражения 1 следует, что использование объемных Брэгговских решеток, позволяет достичь очень узких спектральных линий с ширинами от 0.05 до 0.5 нм.

Возможность точно выставить рабочие длины волн лазеров, а также возможность сохранить выставленную длину волны на всем протяжении срока службы, обеспечивают значительную экономию средств. Так как технология объемных Брэгговских решеток позволяет точно задать рабочие длины волн мощных полупроводниковых лазеров, производственный выход мощных полупроводниковых лазеров с заданной длиной волны увеличивается, что позволяет выпускать мощные полупроводниковые лазеры с точно заданными длинами волн в больших количествах.

Объемные Брэгговские решетки могут использоваться для управления спектром излучения мощных полупроводниковых лазеров (рис. 1). Излучение полупроводникового лазера со спектральной шириной линией от 0.1 до 0.5 нм отражается обратно в лазерную среду, в то время как излучение с другими длинами волн проходит через объемную Брегговскую решетку. Таким образом объемная Брэгговская решетка подавляет оптическое усиление на пропускаемых длинах волн и вынуждает лазер работать в определенном спектральном диапазоне, определяемом параметрами объемной Брэгговской решетки. Рабочая длина волны объемной Брэгговской решетки может задаваться с намного большей точностью, чем рабочая длина волны мощных полупроводниковых лазеров.

Рисунок 1. Объемная Брэгговская решетка, размещенная перед чипом полупроводникового лазера, между которыми располагается коллимирующая линза. Объемная Брэгговская решетка подавляет оптическое усиление на пропускаемых длинах волн и вынуждает лазер работать в определенном спектральном диапазоне, определяемом параметрами объемной Брэгговской решетки

Подобный подход, который заключается в использовании волоконных Брэгговских решеток, применяется для стабилизации по длинам волн лазеров, с рабочей длиной волны 980 нм, которые используются для накачки волоконно-оптических усилителей на оптических волокнах, легированных ионами эрбия (Erbium Doped Fiber Amplifier-EDFA).

Однако, для реализации такого подхода необходимо, чтобы лазер накачки был состыкован с оптоволокном, что не позволяет использовать больше одного лазера на одно оптоволокно. Преимущество объемных Брэгговских решеток в том, что лазер не должен быть состыкован с оптоволокном, поэтому становится возможной одновременная стабилизация по длинам волн целого стека многомодовых полупроводниковых лазеров с помощью одной объемной Брэгговской решетки. Кроме того, объемная Брэгговская решетка позволяет сохранить оптическую мощность стека полупроводниковых лазеров.

В качестве иллюстрации технологии объемных Брэгговских решеток, используемых для стабилизации рабочих длин волн мощных полупроводниковых лазеров, использовались многомодовые полупроводниковые лазеры и стеки полупроводниковых лазеров в корпусах ТО и C-mount, излучающих на длине волны 808 нм, длине волны накачки твердотельного лазера Nd:YAG (рисунок 2).

Рисунок 2. Лазеры в корпусах C-mount, ТО-5, ТО-3, а также стек полупроводниковых лазеров, стабилизированные по длинам волн с помощью цилиндрических линз и объемных Брэгговских решеток «LuxxMaster», размещенных перед ними.

На рисунке 3 представлены спектры излучения стека полупроводниковых лазеров с общей оптической мощностью 40 Вт с и без использования стабилизации рабочей длины волны с помощью объемных Брэгговских решеток, при различных рабочих токах и температурах оснований корпусов. Из рисунка видно, что спектр излучения стека полупроводниковых лазеров при использовании стабилизации рабочей длины волны с помощью объемной Брэгговской решетки в 3-10 раз уже спектра стека полупроводниковых лазеров без использования стабилизации рабочей длины волны с помощью объемной Брэгговской решетки. Кроме того, из рисунка видно, что рабочая длина волны стека полупроводниковых лазеров в случае с использованием стабилизации рабочей длины волны с помощью объемной Брэгговской решетки, жестко привязана к резонансной длине волны решетки.

Рисунок 3. Спектры излучения стека полупроводниковых лазеров с общей оптической мощностью 40 Вт с и без использования стабилизации рабочей длины волны с помощью объемных Брэгговских решеток, при различных рабочих токах. На вставке представлены соответствующие зависимости сдвига длины волны с температурой. Следует отметить, что объемная Брэгговская решетка не была прикреплена к стеку полупроводниковых лазеров.

На рисунке 4 представлены зависимости выходных оптических мощностей от рабочего тока для стека полупроводниковых лазеров с общей оптической мощностью 40 Вт с и без использования стабилизации рабочей длины волны с помощью объемных Брэгговских решеток. Из рисунка 4 видно, что использование стабилизации рабочей длины волны с помощью объемных Брэгговских решеток лишь незначительно уменьшает выходную оптическую мощность. Большая часть выходной оптической мощности сосредоточена в узкой спектральной области, с шириной 0.2 нм.

Рисунок 4. Зависимость общей выходной оптической мощности от рабочего тока стека полупроводниковых лазеров с и без использования стабилизации рабочей длины волны с помощью объемных Брэгговских решеток

Узкая спектральная ширина линии полупроводниковых лазеров накачки и стабильность их рабочих длин волн очень важны (Рисунок 5). В случае с длиной волны 808.7 нм (излучение с такой длиной волны используется для накачки твердотельного лазера Nd:YAG), сужение спектрального диапазона излучения полупроводниковых лазеров накачки существенно повышает эффективность оптической накачки, что повышает точность выставления рабочей длины волны и стабильность выходной оптической мощности твердотельного лазера. Это достигается благодаря использованию стабилизации рабочей длины волны полупроводниковых лазеров накачки с помощью технологии объемных Брэгговских решеток.

Рисунок 5. С использованием полупроводниковых лазеров накачки, стабилизированных по длинам волн с помощью объемных Брэгговских решеток, эффективность накачки твердотельного лазера Nd:YAG может быть увеличена. При этом эффективность накачки остается неизменной в широком диапазоне температур и рабочих токов.

На рынке полупроводниковых лазеров существуют решения по стабилизации и сужению спектров излучения мощных полупроводниковых лазеров и стеков полупроводниковых лазеров, но эти решения требуют сложных многокомпонентных оптических модулей, включающих дифракционные решетки, линзы, а также зеркала, расположенные перед полупроводниковыми лазерами. Технология объемных Брэгговских решеток позволяет достичь тех же результатов с помощью размещения всего одного плоского куска стекла и цилиндрической линзы, которая, к слову, и так является неотъемлемой частью стеков полупроводниковых лазеров и используется для других целей. Таким образом, габариты мощных полупроводниковых лазеров, с использованием технологии объемных Брэгговских решеток, практически не изменяются. Простота этого метода делает его перспективным и коммерчески жизнеспособным.

Улучшенные характеристики лазерного излучения мощных полупроводниковых лазеров, стабилизированных с помощью объемных Брэгговских решеток приведут к возможности использования мощных полупроводниковых лазеров в новых для них применениях. Мощные полупроводниковые лазеры, стабилизированные с помощью объемных Брэгговских решеток могут найти применение в медицине, например для оптической накачки с обменом спином (spin-exchange optical pumping, SEOP) для гиперполяризации благородных газов в магнитно-резонансной томографии легких, так как для такой накачки требуется мощное узкоспектральное излучение с точно заданной длиной волны. Кроме того, новая технология может найти применение для накачки твердотельных лазеров, для зондирования земной поверхности, а также для научных исследований.

Перевод статьи:

Holographic Volume Bragg Gratings Stabilize Laser Diode Performance Dr. B.L. Volodin, S.V. Dolgy, E. Downs, E.D. Melnik, J. Shaw, Dr. V.S. Ban and E. McIntyre, PD-LD Inc.

Что определяет длину волны лазера? — Esco Optics, Inc.

Первый в мире лазер появился на свет 16 мая 1960 года, немногим более 50 лет назад. Изобретенный Теодором Майманом, доктором философии физиком-экспериментатором, он изменил мир, каким мы его знаем. Благодаря этому миллионы слепых людей теперь могут видеть, а станки могут точно просверливать отверстия диаметром от нескольких микрон до нескольких миллиметров в самых твердых металлах. Без лазера не было бы никаких умных бомб, считывателей штрих-кодов в супермаркетах, точных методов навигации для коммерческих самолетов или определенных жизненно важных методов лечения рака.Не существовало бы новых и популярных процедур, позволяющих избавиться от очков, удалить неприглядные родинки, морщины и татуировки и даже улучшить линии бикини.

Очевидно, что один и тот же лазер, способный просверливать отверстия в металле, не может использоваться для хирургии катаракты, поэтому разные лазеры работают на разных длинах волн от ультрафиолета через видимый световой спектр до инфракрасного. Хотя разные лазеры излучают свет с разной длиной волны, все они работают по одному и тому же основному принципу.

Зависимость мощности от длины волны

Любая материя, будь то твердое тело, жидкость или газ, состоит из атомов. Атомы состоят из ядра, состоящего из протонов, нейтронов и облака электронов, которые вращаются вокруг ядра по орбитам, определяемым их различными уровнями энергии. Луч энергии, обычно свет, состоящий из многих различных длин волн, как луч фонарика, только более сильно сфокусированный, используется для возбуждения электронов, чтобы они «прыгнули» на более высокий энергетический уровень.

Если возбуждено достаточно электронов, материал может достичь состояния, называемого «инверсия».Затем возбужденные электроны можно «стимулировать» вернуться в исходное состояние, «испуская» фотон. Этот фотон будет точно соответствовать фотону, который его стимулировал, как по длине волны , так и по фазе . Эти фотоны могут затем стимулировать испускание большего количества фотонов. Этот повторяющийся процесс приводит к увеличению светоотдачи и является причиной названия «лазер» — усиление света за счет стимулированного излучения излучения. Мощность лазерного луча зависит от уровней энергии электронов в атомах материала, используемого для его создания, обычно называемого материалом «лазерной генерации ».

Уровень энергии фотонов, производимых материалом , излучающим лазер, , обратно пропорционален длине волны , света, создаваемого материалом , излучающим лазерный луч . Другими словами, чем короче длина волны света, тем выше будет энергия фотона. Хотя другие факторы, такие как источник питания, используемый для генерации, и то, является ли лазерный луч постоянным или импульсным, могут влиять на него, обычно именно длина волны света определяет мощность лазерного луча .Поскольку разные материалы для генерации излучают свет с разной длиной волны, они также производят лазерные лучи с разными уровнями мощности.

Самые короткие волны, от 10 до 400 нанометров (нм), излучают ультрафиолетовый (УФ) свет. Промежуточные длины волн от 380 до 740 нм дают видимый (VIS) свет от фиолетового до красного. Самые длинные волны, от 700 нм до 1 мм, излучают инфракрасный (ИК) свет, который, как и УФ, невидим для человеческого глаза.

Первый лазер Маймона использовал рубин (CrAlO3) для получения луча красного света с длиной волны 694 нм.Некоторые другие широко используемые лазеры, классифицируемые по типу материала для генерации и длине волны излучения, включают:

* Иттриевый алюминиевый гранат, легированный неодимом

Конечно, независимо от длины волны, луч лазера необходимо точно контролировать и направлять.Линзы, окна и зеркала, поставляемые Esco Optics, играют важную роль в обеспечении такой точности. Узнайте больше о продуктах Esco Optics здесь. Вот несколько ссылок, которые могут вас заинтересовать — Типы лазеров.

Заинтересованы в нестандартной оптике? Воспользуйтесь нашим онлайн-инструментом для расчета стоимости вашего следующего проекта. Esco всегда готов помочь: от прототипов до серийного производства.

Длина волны лазера — обзор

3.13.4 Параметры процесса и настройка процесса

Для процедур используются несколько комбинаций длин волн лазера, плотности энергии, продолжительности импульсов и частоты повторения.Выбранный набор параметров определяет механизм взаимодействия лазера с материалом и структуру образующегося азотированного слоя.

При включении интенсивного лазерного луча (~ 100 МВт / см ² ) падающие фотоны взаимодействуют с электронами проводимости целевого металла. Поглощенная энергия передается решетке, плавясь и испаряя очень мелкий поверхностный слой. Это взаимодействие в значительной степени зависит от длины волны лазера, интенсивности, мощности и свойств поверхности материала (таких как химический состав и шероховатость).

При высоких давлениях азота горячий лазерный факел удерживается над обработанной поверхностью ударными волнами. Эти условия вызывают значительное повышение температуры (~ 1000 сК) и давления (~ 100 с бар), создавая плазму в этом сильно локализованном объеме. Пирри и др. (1977) предложила модель взаимодействия лазера с плазмой и поверхностью. Он предлагает три пороговых значения интенсивности для падающего лазера: I _e (порог испарения), I _lsc (порог волны горения, поддерживаемый лазером) и I _lsd (порог волны детонации, поддерживаемый лазером).Когда интенсивность падающего лазера I > I _e , но I < I _lsc , генерируемая плазма имеет низкую плотность и прозрачна для лазерного луча. Преобразование энергии лазера в энергию плазменных частиц начинает быть значительным при I _lsc < I < I _lsd ; волна поглощения распространяется с дозвуковой скоростью к обрабатываемой поверхности, в то время как лазер все еще может достичь металла.Практически вся энергия лазера поглощается в плазме, если I > I _lsd , когда фронт поглощения распространяется сверхзвуково. В таких условиях обрабатываемая поверхность отделяется от лазерного луча, и азотирование становится неэффективным.

Более короткие волны поглощаются металлом более эффективно, чем более длинные. Таким образом, согласно Thomann et al. (1996), испарение титана при 308 нм (ультрафиолет, УФ) примерно в 15 раз сильнее, чем 10.6 мкм (инфракрасное, ИК) облучение для эквивалентной плотности мощности лазера. Однако для азотирования все же можно использовать ИК-излучение. ИК-лазер сильно отражается от металлов, но не от лазерной плазмы, образующейся внутри факела. Таким образом, значительная часть энергии падающего ИК-лазера поглощается и возвращается в металл через излучение лазерной плазмы, подобное черному телу (Illgner et al. , 1998). Нагрев с помощью ИК-излучения приводит к более глубокому нагретому слою и более ограниченному испарению металла по сравнению с нагревом с помощью УФ-лазера.Плазма, генерируемая инфракрасным излучением, содержит больше форм азота, тогда как плазма, генерируемая ультрафиолетом, обогащена ионами металлов (Thomann et al. , 1996).

Плазма действует как источник высокоактивного азота, который диффундирует в поверхность расплавленного металла. Schaaf et al. (1999) проанализировали профили азота после лазерного азотирования образцов Armco Fe эксимерным лазером XeCl (длина волны 308 нм, длительность импульса 55 нс, что дает 4 Дж / см ² для размера пятна 3,8 × 4,7 мм ² ) .За один импульсный цикл (293 нс) была достигнута температура 2445 К с глубиной плавления 800 нм. Полученная концентрация азота была примерно на 12 ат.% Ниже поверхности образца (зона плавления). Это число намного выше, чем растворимость молекулярного азота при этой температуре, что указывает на усиленную плазмой активность азота. На поверхности обработанного образца обнаружен слой нитрида железа с высокой концентрацией азота (~ 30 ат.%). Авторы объяснили это выпадением конденсирующейся плазмы после окончания лазерного импульса с последующим сверхбыстрым охлаждением и кластеризацией.

Типичная глубина лазерного азотирования слоев, ограниченная несколькими микронами, обусловлена ​​сильно локализованным действием лазерной обработки. Структура является результатом серии быстрых процессов плавления и затвердевания, которые произошли в поверхностном слое; наблюдается сильный эффект измельчения зерна. В случае азотирования железа слой содержит в основном смесь азотного аустенита, нитрида ε и мартенсита азота (Schaaf et al. , 2002). Глубину азотированного слоя можно увеличить с помощью отжига.Это вызывает сглаживание профиля концентрации азота из-за диффузии атомов азота в объем. Отжиг при T, > ~ 473 K активирует превращение термодинамически неблагоприятного азотного аустенита, нитрида ε и перенасыщенного раствора азота в α -Fe в нитриды γ ′. Когда температура отжига превышает 523 К, быстрая диффузия к объему приводит к растворению нитридов γ ′, и тогда сообщается только о растворе азота α (Han et al., 2001).

Отжиг в атмосфере с низким потенциалом азота приводит к истощению азота в результате процесса дегазации (Han et al. , 2001). Сплавы, содержащие сильные нитридообразующие элементы (например, сплавы Ti или нержавеющие стали), имеют меньшую тенденцию к потерям при дегазации, поскольку азот захватывается нитридами (Han et al. , 2001; Filip, 2008).

Лазерное азотирование обеспечивает низкие затраты на обработку и короткое время работы. Основными параметрами управления являются настройки мощности лазера, диаметр облучающего луча на поверхности, скорость сканирования и температура образца.Длительность импульса увеличивает временные рамки для процесса диффузии азота, активируемого температурой, и увеличивает глубину слоя, обогащенного азотом. Последние поколения лазеров преодолели проблему нестабильности энергии импульса. Таким образом, обработка с высокой частотой импульсов, дающая равномерное распределение дозы, стала обычной практикой.

Для упрощения процесса часто используется азот при атмосферном давлении. В качестве альтернативы процесс можно проводить на открытом воздухе, когда азот подается через сопло в ванну расплава.Нагрев образца может увеличить глубину азотирования с субмикронных значений до нескольких сотен микрон. В таких ситуациях азот, доставленный из лазерно-индуцированной плазмы к поверхностному слою, продолжает диффундировать в объеме материала в течение всего периода обработки. Увеличение интенсивности мощности лазера, уменьшение скорости лазерного сканирования и фокусировка диаметра пятна увеличивают толщину расплава, но способствуют эрозии (испарению) поверхности. Таким образом, поверхности, азотированные лазерным газом, имеют высокую шероховатость, что изменяет их трибологические и коррозионные свойства по сравнению с поверхностями, полученными традиционными методами азотирования (Biswas et al., 2008 г.).

Высокая частота обработок предъявляет очень высокие требования к скорости оборудования для управления технологическим процессом (связь, переключение, аналого-цифровое преобразование и обработка сигналов). Carpene et al. (2005) представляет собой пример с потенциалом для крупномасштабного промышленного применения. Они выполнили азотирование чистого титана с помощью лазера на свободных электронах с высокой частотой следования импульсов (ЛСЭ) в условиях чистого азота. Луч ЛСЭ состоял из серии импульсов с частотой следования 37 лазерных импульсов.4 МГц при средней энергии импульса 20 мкДж. Они получили слой δ-TiN _x толщиной 15 мкм и показали, что поверхность без трещин может быть достигнута при небольшом перекрытии пятен и длительных макроимпульсах (1000 мкс), в то время как шероховатость увеличивается при большом перекрытии и коротких макроимпульсах. импульсы (<250 мкс).

Основы лазера

Основы лазера
[индекс]

Лазер

Основы
Роберт Олдрич

ТАБЛИЦА

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
ТЕОРИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ ЛАЗЕРА
КОМПОНЕНТЫ ЛАЗЕРА
ТИПЫ ЛАЗЕРОВ
ХАРАКТЕРИСТИКИ

МАТЕРИАЛЫ

ВВЕДЕНИЕ

Слово «лазер»

это аббревиатура от Light Amplification by Stimulated Emission of

Радиация.Лазеры находят все больше военных

приложения — в основном для целеуказания, управления огнем,

и обучение. Эти лазеры называются дальномерами, целями.

обозначения и имитаторы стрельбы прямой наводкой. Лазеры также

используется в связи, лазерных радарах (LIDAR), системах посадки,

лазерные указатели, системы наведения, сканеры, металлообработка,

фотография, голография и медицина.

В этом документе слово «лазер» будет ограничено

устройства, излучающие электромагнитное излучение, использующие свет

усиление за счет вынужденного излучения излучения на длинах волн

от 180 нм до 1 миллиметра.Электромагнитный спектр

включает энергию от гамма-лучей до электричества. Рисунок 1

показывает полный электромагнитный спектр и длины волн

различные регионы.

Рисунок 1. Электромагнитный спектр

Основные длины волн

лазерного излучения для современных военных и коммерческих

приложения включают ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное

области спектра. Ультрафиолетовое излучение для лазеров

состоит из длин волн от 180 до 400 нм.Видимый

область состоит из излучения с длинами волн от 400 до 700

нм. Это часть, которую мы называем видимым светом. Инфракрасный

область спектра состоит из излучения с длинами волн

от 700 нм до 1 мм. Лазерное излучение поглощается кожей

проникает всего в несколько слоев. В глазу видно и рядом

инфракрасное излучение проходит через роговицу и фокусируется на

и поглощается сетчаткой. Это длина волны света

который определяет видимое ощущение цвета: фиолетовый при 400 нм,

красный на 700 нм, а другие цвета видимого спектра в

между.При поглощении излучения действие на поглощающую

биологическая ткань бывает фотохимической, термической или

механический: в ультрафиолетовой области действие в первую очередь

фотохимический; в инфракрасной области действие в первую очередь

термический; а в видимой области присутствуют оба эффекта.

Когда интенсивность излучения достаточно высока, повреждение

к впитывающей ткани.

ТЕОРИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ ЛАЗЕРА

Базовое понимание того, как работает лазер, помогает в

понимание опасностей при использовании лазерного устройства.фигура 2

показывает, что электромагнитное излучение испускается всякий раз, когда

заряженная частица, такая как электрон, отдает энергию. Этот

происходит каждый раз, когда электрон падает из более высокого энергетического состояния,

в более низкое энергетическое состояние, в атоме или ионе как

происходит в люминесцентном свете. Это также происходит из-за изменений в

колебательное или вращательное состояние молекул.

Цвет света определяется его частотой или

длина волны. Более короткие длины волн — это ультрафиолет и

более длинные волны — инфракрасные.Самая маленькая частица

энергия света описывается квантовой механикой как фотон. В

энергия фотона E определяется его частотой,

и постоянная Планка h.

Скорость света в вакууме c составляет 300 миллионов метров.

в секунду. Длина волны света связана с

из следующего уравнения:

Разница уровней энергии, на которой возбужденное

Электронные капли определяют длину волны излучаемого света.

Рис. 2. Излучение атома при переходе

электрон из состояния с более высокой энергией в состояние с более низкой энергией

КОМПОНЕНТЫ ЛАЗЕРА

Как показано на рисунке 3, три основных компонента лазера

являются:

• Материал генерации (кристалл, газ, полупроводник, краситель,

  и т.д …)

• Источник накачки (добавляет энергию к материалу генерации, например

  лампа-вспышка, электрический ток вызывает электрон

  столкновения, излучение лазера и т. д.)

• Оптический резонатор, состоящий из отражателей, выполняющих роль

  механизм обратной связи для усиления света

Рис. 3. Схема твердотельного лазера

Электроны в атомах материала генерации обычно находятся

в установившемся более низком энергетическом уровне. Когда световая энергия от

лампа-вспышка добавляется к атомам материала генерации,

большинство электронов возбуждены до более высокого энергетического уровня —

явление, известное как инверсия населения.Это нестабильный

условие для этих электронов. В этом состоянии они останутся

короткое время, а затем возвращаются в исходное энергетическое состояние.

Этот распад происходит двумя способами: спонтанный распад — электроны

просто падают в свое основное состояние при случайном излучении

направленные фотоны; и вынужденный распад — фотоны от

самопроизвольно распадающиеся электроны сталкиваются с другими возбужденными электронами

что заставляет их упасть в основное состояние. Это стимулировало

переход высвободит энергию в виде фотонов света

которые движутся синфазно на той же длине волны и в том же

направление как падающий фотон.Если направление параллельно

оптической оси, излучаемые фотоны перемещаются вперед и назад в

оптический резонатор через материал генерации между

полностью отражающее зеркало и частично отражающее зеркало.

Таким образом, световая энергия усиливается до тех пор, пока не станет достаточно

энергия накапливается для передачи лазерного излучения

через частично отражающее зеркало.

Как показано на рисунке 4, лазерная среда должна иметь по крайней мере один

возбужденное (метастабильное) состояние, в котором электроны могут задерживаться на длительное время

достаточно (микросекунд в миллисекунды) для инверсии населенности

происходить.Хотя лазерное воздействие возможно только с двумя энергиями

уровней, большинство лазеров имеют четыре или более уровней.

Рисунок 4. Энергетическая диаграмма трехуровневого лазера

Q-переключатель на оптическом пути — это метод обеспечения лазерного

импульсы очень короткой продолжительности. Вращающаяся призма как

полный отражатель на рисунке 3 был одним из первых методов обеспечения

Модуляция добротности. Только в точке вращения, когда есть четкое

оптический путь позволит пройти световой энергии.Обычно

непрозрачное электрооптическое устройство (например, ячейка Поккельса) в настоящее время часто

используется для устройства Q-переключения. Во время напряжения

приложение, устройство становится прозрачным, свет накапливается

в резонаторе возбужденные атомы могут тогда достичь зеркала, так что

Качество резонатора Q увеличивается до высокого уровня и излучает высокий

пиковая мощность лазерного импульса длительностью несколько наносекунд. Когда

фазы разных частотных режимов лазера синхронизированы

(заблокированы вместе), эти режимы будут мешать друг другу и

создать эффект удара.В результате получается лазерный выход с

регулярные пульсации, называемые «синхронизацией мод». Режим

синхронизированные лазеры обычно производят серию импульсов длительностью

от нескольких пикосекунд до наносекунд, что приводит к более высокой пиковой мощности

чем тот же лазер, работающий в режиме модуляции добротности. Импульсный

лазеры часто предназначены для генерации повторяющихся импульсов. Пульс

частота повторения прф, а также ширина импульса крайне

важно при оценке биологических эффектов.

ТИПЫ

ЛАЗЕРОВ

Лазерный диод представляет собой светодиод с оптическим

резонатор для усиления света, излучаемого из запрещенной зоны, которая

существует в полупроводниках, как показано на рисунке 5.Их можно настроить

изменяя приложенный ток, температуру или магнитное поле.

Рис. 5. Схема полупроводникового лазера

Газовые лазеры состоят из газонаполненной трубки, помещенной в лазер.

полость, как показано на рисунке 6. Напряжение (внешний источник накачки)

применяется к трубке, чтобы возбуждать атомы в газе до

инверсия населения. Свет, излучаемый этим типом лазера

обычно непрерывная волна (CW). Следует отметить, что если

к газоразрядной трубке прикреплены угловые окна заварного механизма,

некоторое лазерное излучение может отражаться сбоку от лазера

полость.В больших газовых лазерах, известных как газодинамические лазеры, используется

камера сгорания и сверхзвуковое сопло для населения

инверсия.

Рисунок 6. Схема газового лазера

На рисунке 7 показана схема лазера на красителе. Лазеры на красителях используют

активный материал в жидкой суспензии. Ячейка красителя содержит

лазерная среда. Многие красители или жидкие суспензии токсичны.

Рис. 7. Общая схема лазера на красителях

Лазеры на свободных электронах, такие как на рисунке 8, обладают способностью

генерируют длины волн от микроволнового до рентгеновского диапазона.Они

работать, имея электронный луч в проходе оптического резонатора

через магнитное поле вигглера. Произошла смена направления

магнитным полем электронов заставляет их излучать

фотоны.

Рис. 8. Схема лазера на свободных электронах

Геометрия лазерного луча отображает поперечный электромагнитный (ТЕМ)

волновые структуры в луче, похожие на микроволны в волне

руководство. На рисунке 9 показаны некоторые распространенные моды ПЭМ в поперечном сечении

лазерный луч.

Рис.9 Общие режимы луча ТЕМ-лазера

Можно рассматривать лазер, работающий в режиме

как два лазера, работающих бок о бок. Идеальный режим для большинства

лазерные приложения — это режим, и этот режим

обычно предполагается, что легко выполнить анализ опасностей, связанных с лазерным излучением. Свет

от обычного источника света чрезвычайно широкополосный

(содержащий длины волн в электромагнитном спектре). Если

нужно было установить фильтр, который позволил бы только очень узкий

полоса длин волн перед белым или широкополосным светом

источника, только один светлый цвет будет виден на выходе из

фильтр.Свет от лазера похож на свет, видимый из

фильтр. Однако вместо узкой полосы длин волн нет

из которых доминирует, как и в случае с фильтром, есть

гораздо более узкая ширина линии около излучаемой доминирующей центральной частоты

от лазера. Цвет или длина волны излучаемого света

зависит от типа используемого материала для генерации. Например,

если используется кристалл неодима: иттриевого алюминиевого граната (Nd: YAG)

в качестве материала для генерации будет использоваться свет с длиной волны 1064 нм.

быть испущенным.В таблице 1 показаны различные типы материалов.

в настоящее время используется для генерации и длин волн, излучаемых

этот тип лазера. Обратите внимание, что некоторые материалы и газы

способен излучать более одной длины волны. Длина волны

излучаемый свет в этом случае зависит от оптического

конфигурация лазера.

Таблица 1. Общие лазеры и их

Длины волн

Свет от обычного источника света расходится или распространяется

быстро, как показано на рисунке 10.Интенсивность может быть большой

в источнике, но он быстро уменьшается по мере удаления наблюдателя

из первоисточника.

Рис. 10. Расхождение обычного источника света

Напротив, выход лазера, показанный на рисунке 11, имеет

очень малая расходимость и может поддерживать высокую интенсивность луча более

большие расстояния. Таким образом, относительно маломощные лазеры могут

излучать больше энергии на одной длине волны в узком луче

чем можно получить от гораздо более мощного обычного света

источники.

Рис. 11. Расходимость лазерного источника

Например, лазер, способный доставлять импульс 100 мДж в

20 нс имеет пиковую мощность 5 миллионов ватт. Лазер CW будет

обычно световая энергия выражается в ваттах, а импульсный

мощность лазера обычно выражается в джоулях. С

энергия не может быть создана или уничтожена, количество энергии

имеющееся в вакууме на выходе лазера будет таким же

количество энергии, содержащейся в луче в какой-то момент

вниз по диапазону (с некоторыми потерями в атмосфере).Рисунок 12.

иллюстрирует типичный лазерный луч. Количество доступной энергии

в пределах участка отбора проб будет значительно меньше, чем

количество энергии, доступной в луче. Например, 100 мВт

выходная мощность лазера может иметь 40 мВт в пределах 1

площадь образца. Энергия излучения в этом примере составляет 40 мВт /.

Рис. 12. Иллюстрация освещенности

ХАРАКТЕРИСТИКИ МАТЕРИАЛОВ

Материалы могут отражать, поглощать и / или пропускать световые лучи.Отражение света лучше всего иллюстрирует зеркало. Если свет

лучи падают на зеркало, почти вся энергия падает на

зеркало будет отражено. На рисунке 13 показано, как пластик или

поверхность стекла будет воздействовать на падающий световой луч. Сумма

переданная, поглощенная и отраженная энергия будет равна количеству

энергии, падающей на поверхность.

Поверхность является зеркальной (зеркальной), если размер поверхности

несовершенства и вариации намного меньше длины волны

падающего оптического излучения.Когда неровности случайны

ориентированы и намного больше длины волны, то

поверхность считается диффузной. В промежуточной области это

иногда необходимо учитывать диффузную и зеркальную составляющие

раздельно.

Рис. 13. Световой луч, падающий на стеклянную поверхность

Плоская зеркальная поверхность не изменит расхождения

падающий световой луч значительно. Однако изогнутые зеркальные

поверхности могут изменить расхождение.Сумма, которую

расхождение изменяется в зависимости от кривизны

поверхность. На рисунке 14 показаны эти два типа поверхностей и

как они будут отражать падающий лазерный луч. Расхождение и

кривизна отражателя была увеличена в лучшую сторону

проиллюстрировать эффекты. Обратите внимание, что значение освещенности

на определенном расстоянии от отражателя будет меньше

после отражения от изогнутой поверхности, чем при отражении от

плоская поверхность, если изогнутый отражатель не фокусирует луч

рядом или в этом диапазоне.

Диффузная поверхность — это поверхность, которая будет отражать падающий

лазерный луч во всех направлениях. Путь луча не выдерживается

когда лазерный луч попадает на диффузный отражатель. Будь

поверхность представляет собой диффузный отражатель или зеркальный отражатель будет

зависят от длины волны падающего лазерного луча. Поверхность

это был бы диффузный отражатель для видимого лазерного луча.

быть зеркальным отражателем для инфракрасного лазерного луча (например,

). Как показано на рисунке 15, влияние различной кривизны

диффузных отражателей мало влияет на отраженный

луч.

Если свет падает на границу раздела двух

передающей средой (как интерфейс воздух-стекло), немного света будет

передаваться, в то время как некоторые будут отражаться от поверхности. Если

на границе раздела энергия не поглощается, T + R = 1, где T и R

— доли интенсивности падающего пучка, которые

передается и отражается. T и R называются трансмиссией.

и коэффициенты отражения соответственно. Эти коэффициенты

зависят не только от свойств материала и

длины волны излучения, но и от угла

заболеваемость.Количество падающего светового луча, которое

отражается, а количество, передаваемое через материал,

в дальнейшем зависит от поляризации светового луча.

Угол, который образует падающий луч излучения с

нормали к поверхности определяют угол преломления и

угол отражения (угол отражения равен углу

заболеваемости). Связь между углом падения (

), а угол преломления (‘) составляет

где n и n ‘- показатели преломления сред,

падающий и прошедший лучи проходят соответственно (см.

рисунок 13).

Рис. 14. Зеркальные отражатели

Рисунок 15. Диффузные отражатели

ИСТОЧНИК: Центр надводной войны Роберта Олдрича, дивизия Дальгрена.

Принципы лазера

| Базовые знания | Лазерная маркировка Central

Лазерный свет кардинально отличается от обычного света. Узнайте о принципах работы лазера и характеристиках различных длин волн.

Линейка продуктов для маркировки
Помогаем вам выбрать лучшую маркировочную машину!

Представляем идеальные маркировочные машины для различных материалов, включая нержавеющую сталь, пластик и пленки.

Скачать

Свет — это тип электромагнитной волны, и эти волны имеют стандартные длины волн. Начиная с самых длинных, эти длины волн можно разделить на радиоволны, инфракрасные лучи, видимые лучи, ультрафиолетовые лучи, рентгеновские лучи и гамма-лучи.

Когда свет попадает на объект, длины волн, которые отражаются от объекта, воспринимаются человеческим глазом (сетчаткой).Когда это происходит, мы распознаем отраженные длины волн как цвет объекта.

Показатель преломления различается в зависимости от длины волны, поэтому свет разделяется. В результате мы можем распознавать самые разные цвета. Например, яблоко отражает красные волны света (от 600 до 700 нм) и поглощает все другие длины волн света.

Черные объекты поглощают весь свет и поэтому кажутся черными.

Некоторые электромагнитные волны попадают в диапазон длин волн, который может видеть человек.Их называют видимыми лучами.

На коротковолновой стороне видимые лучи имеют размер от 360 до 400 нм. На длинноволновой стороне они измеряют от 760 до 830 нм. Длины волн, которые короче или длиннее видимых лучей, не видны человеческому глазу.

Вот чем отличается лазерный свет от обычного:

1. 1) Лазеры излучают световые лучи с высокой направленностью, что означает, что составляющие световые волны распространяются вместе по прямой линии, почти не расходясь друг с другом.Обычные источники света излучают световые волны, которые расходятся во всех направлениях.
2. 2) Все световые волны в лазерном луче имеют один цвет, это свойство известно как монохроматичность. Обычный свет, такой как свет от люминесцентной лампы, обычно представляет собой смесь нескольких цветов, которые сочетаются и в результате кажутся белыми.
3. 3) Когда световые волны в лазерном луче движутся, они колеблются своими пиками и впадинами в идеальной синхронизации, характеристика, известная как когерентность.Когда два лазерных луча накладываются друг на друга, пики и впадины световых волн в каждом луче аккуратно усиливают друг друга, создавая интерференционную картину.

Слово ЛАЗЕР является аббревиатурой от «Усиление света за счет вынужденного излучения».

Когда атомы и молекулы поглощают внешнюю энергию, они переходят из состояния с низкой энергией в состояние с высокой энергией.Это состояние с высокой энергией описывается как возбужденное состояние.

Атомы, которые входят в возбужденное состояние, нестабильны и немедленно попытаются вернуться в состояние с низкой энергией. Это называется переходом.

Когда происходит переход, излучается свет, равный разнице энергий между состояниями. Это явление называется естественной эмиссией. Излучаемый свет затем сталкивается с другими атомами, которые находятся в аналогичном возбужденном состоянии, вызывая переход таким же образом. Свет, вызванный излучением, называется стимулированным излучением.

Лазеры можно условно разделить на 3 основных типа: твердотельные, газовые и жидкостные.

Оптимальный лазер будет отличаться в зависимости от желаемого приложения обработки.

CO ₂ лазеры в основном используются для обработки и маркировки.
CO ₂ лазеры излучают невидимые инфракрасные лучи, традиционно с длиной волны 10,6 мкм. Газ N ₂ служит для увеличения уровня энергии CO ₂ , а газ He служит для стабилизации уровня энергии CO ₂ .

Лазеры

YAG используются для универсальной маркировки пластиковых и металлических мишеней, а также для обработки.
YAG-лазеры излучают невидимые лучи ближнего ИК-диапазона с длиной волны 1064 нм.

YAG представляет собой твердое вещество с кристаллической структурой Y (иттрий), A (алюминий) и G (гранат). Благодаря легированию светоизлучающего элемента, в данном случае неодима (неодима), кристалл YAG войдет в состояние возбуждения за счет поглощения света от лазерного диода.

YVO ₄ лазеры используются для сверхтонкой маркировки и обработки.
YVO ₄ лазеры излучают невидимые лучи ближнего ИК-диапазона с длиной волны 1064 нм, как и YAG-лазер.

YVO ₄ представляет собой твердое вещество с кристаллической структурой Y (иттрий), V (ванадий) и O ₄ (оксид) или Y (иттрий) VO ₄ (ванадат). Благодаря легированию светоизлучающего элемента, в данном случае неодима (неодима), кристалл YVO ₄ перейдет в состояние возбуждения за счет поглощения света лазерным диодом.

CO ₂ лазеры имеют длину волны 10 600 нм, которая является самой длинной из всех промышленных систем.По сравнению с YAG, YVO ₄ и волоконным лазером, длина волны CO ₂ в 10 раз больше.

Как следует из названия, лазеры CO ₂ генерируются за счет стимуляции газа CO ₂ .

• Плохо усваивается металлами
• Плавление и горение происходят из-за длинных волн и теплопередачи
• Может обрабатывать прозрачные предметы, такие как стекло и ПЭТ
• Обычно не может создавать контраст или обесцвечивать

ИК (инфракрасный) свет содержит самые разные длины волн для лазерной обработки.Как следует из названия, ИК-свет содержит волны длиннее видимого красного (то есть длиннее 780 нм).

• Возможность обработки нескольких материалов (включая смолы и металлы)
• Невозможно обрабатывать прозрачные объекты (например, стекло), так как лазерный луч проходит прямо через
• Легко создает контраст на смолах

Лазерные маркеры с одинаковой длиной волны могут иметь разные характеристики луча. Эти изменения стали возможными благодаря различным колебательным методам.Как правило, более высокая пиковая мощность и более короткая длительность импульса уменьшают тепловое повреждение и возгорание.

В лазерах

второй генерации гармоник (ГВГ) используется длина волны 532 нм. Этот лазерный свет виден людям, выглядит зеленым и создается путем передачи длины волны 1064 нм через нелинейный кристалл. Когда свет проходит через кристалл, его длина волны уменьшается вдвое. Обычно используется среда YVO ₄ , потому что характеристики луча хорошо подходят для сложной обработки.

• Высокие коэффициенты поглощения в материалах, которые плохо реагируют с типичными длинами волн ИК-диапазона, а также в материалах, отражающих ИК-свет (например, золото и медь)
• Сложная обработка возможна из-за меньшего размера пятна луча, чем у ИК-лазеров
• Прозрачные объекты обычно не обрабатываются
• Высокая пиковая мощность и ограниченная теплопередача делают лазеры с длиной волны 532 нм идеальными для микрообработки и сложных конструкций.

Скорость лазерного поглощения металлов

Лазеры третьей гармоники (THG) имеют длину волны 355 нм, которая попадает в ультрафиолетовый (УФ) диапазон света.Лазер YVO ₄ или YAG используется для создания основной длины волны (1064 нм), которая передается через нелинейный кристалл, чтобы уменьшить длину волны до 532 нм. Этот свет проходит через второй нелинейный кристалл, уменьшая длину волны до 355 нм.

• УФ-свет имеет чрезвычайно высокий коэффициент поглощения в большинстве материалов и не выделяет чрезмерного количества тепла.
• Очень маленькое пятно луча обеспечивает очень точную обработку
• Для большинства УФ-лазеров сторонних производителей требуется замена оптических кристаллов, что влияет на общие эксплуатационные расходы.

Вот разбивка процесса лазерного излучения

Когда атомы и молекулы поглощают световую энергию, электроны внутри атомов переходят из состояния с низкой энергией (основное состояние) в состояние с высокой энергией. По мере увеличения энергии электроны переходят со своих обычных орбит на внешние. Это состояние увеличения энергии называется возбуждением.

Состояние атома

Атом в основном состоянии

Атом в возбужденном состоянии

Электронное состояние

Уровень энергии возбужденных электронов возрастает в зависимости от количества поглощенной энергии.Через некоторое время электроны с высокой энергией попытаются вернуться в состояние с низкой энергией, испуская энергию. В это время излучается свет.

Это явление называется естественной эмиссией.

Состояние атома
Электронное состояние

Когда входящий свет взаимодействует с электронами высокой энергии, электрон переходит в более низкое энергетическое состояние и излучает свет той же энергии, фазы и направления движения, что и входящий источник.Другими словами, один инжектированный фотон вызывает явление, в котором он превращается в два фотона. Это называется вынужденным излучением.

Свет, создаваемый стимулированным излучением, имеет одинаковую энергию, фазы и направление движения. Таким образом, создание множества источников света со стимулированным излучением позволяет создать сильный свет с помощью этих трех элементов, установленных одинаково.

Лазерный свет создается путем усиления инжектируемого света с помощью явления вынужденного излучения.В результате он обладает такими характеристиками: (1) монохроматический, (2) когерентный и (3) сильно направленный.

Состояние атома
Электронное состояние

Для генерации лазерного луча с использованием естественного излучения необходимо создать среду, в которой количество электронов в состоянии с высокой энергией в подавляющем большинстве случаев превышает количество электронов в состоянии с низкой энергией.Это называется состоянием инверсии населенности.

Другими словами, когда количество естественно излучаемого света превышает поглощенный свет, становится возможным эффективно создавать лазерный луч.

• = Многочисленные электроны высокой энергии
• = Мало электронов высоких энергий

Когда один электрон естественным образом излучает свет в состоянии инверсии населенности, этот свет заставляет другой электрон естественным образом излучать свет.Это приводит к цепной реакции, которая увеличивает количество производимого света и создает сильный луч. Так работает лазерная генерация.

A

Естественные выбросы

B

Вынужденное излучение

Все лазерные колебательные трубки состоят из следующих трех элементов:

1. Средний лазер
2. Источник возбуждения
3. Усилитель

1. Средний лазер
2. Источник возбуждения
3. Усилитель

Дом

Принципы лазера

| Базовые знания | Лазерная маркировка Central

Лазерный свет кардинально отличается от обычного света.Узнайте о принципах работы лазера и характеристиках различных длин волн.

Линейка продуктов для маркировки
Помогаем вам выбрать лучшую маркировочную машину!

Представляем идеальные маркировочные машины для различных материалов, включая нержавеющую сталь, пластик и пленки.

Скачать

Свет — это тип электромагнитной волны, и эти волны имеют стандартные длины волн.Начиная с самых длинных, эти длины волн можно разделить на радиоволны, инфракрасные лучи, видимые лучи, ультрафиолетовые лучи, рентгеновские лучи и гамма-лучи.

Когда свет попадает на объект, длины волн, которые отражаются от объекта, воспринимаются человеческим глазом (сетчаткой). Когда это происходит, мы распознаем отраженные длины волн как цвет объекта.

Показатель преломления различается в зависимости от длины волны, поэтому свет разделяется.В результате мы можем распознавать самые разные цвета. Например, яблоко отражает красные волны света (от 600 до 700 нм) и поглощает все другие длины волн света.

Черные объекты поглощают весь свет и поэтому кажутся черными.

Некоторые электромагнитные волны попадают в диапазон длин волн, который может видеть человек. Их называют видимыми лучами.

На коротковолновой стороне видимые лучи имеют размер от 360 до 400 нм. На длинноволновой стороне они измеряют от 760 до 830 нм. Длины волн, которые короче или длиннее видимых лучей, не видны человеческому глазу.

Вот чем отличается лазерный свет от обычного:

1. 1) Лазеры излучают световые лучи с высокой направленностью, что означает, что составляющие световые волны распространяются вместе по прямой линии, почти не расходясь друг с другом.Обычные источники света излучают световые волны, которые расходятся во всех направлениях.
2. 2) Все световые волны в лазерном луче имеют один цвет, это свойство известно как монохроматичность. Обычный свет, такой как свет от люминесцентной лампы, обычно представляет собой смесь нескольких цветов, которые сочетаются и в результате кажутся белыми.
3. 3) Когда световые волны в лазерном луче движутся, они колеблются своими пиками и впадинами в идеальной синхронизации, характеристика, известная как когерентность.Когда два лазерных луча накладываются друг на друга, пики и впадины световых волн в каждом луче аккуратно усиливают друг друга, создавая интерференционную картину.

Слово ЛАЗЕР является аббревиатурой от «Усиление света за счет вынужденного излучения».

Когда атомы и молекулы поглощают внешнюю энергию, они переходят из состояния с низкой энергией в состояние с высокой энергией.Это состояние с высокой энергией описывается как возбужденное состояние.

Атомы, которые входят в возбужденное состояние, нестабильны и немедленно попытаются вернуться в состояние с низкой энергией. Это называется переходом.

Когда происходит переход, излучается свет, равный разнице энергий между состояниями. Это явление называется естественной эмиссией. Излучаемый свет затем сталкивается с другими атомами, которые находятся в аналогичном возбужденном состоянии, вызывая переход таким же образом. Свет, вызванный излучением, называется стимулированным излучением.

Лазеры можно условно разделить на 3 основных типа: твердотельные, газовые и жидкостные.

Оптимальный лазер будет отличаться в зависимости от желаемого приложения обработки.

CO ₂ лазеры в основном используются для обработки и маркировки.
CO ₂ лазеры излучают невидимые инфракрасные лучи, традиционно с длиной волны 10,6 мкм. Газ N ₂ служит для увеличения уровня энергии CO ₂ , а газ He служит для стабилизации уровня энергии CO ₂ .

Лазеры

YAG используются для универсальной маркировки пластиковых и металлических мишеней, а также для обработки.
YAG-лазеры излучают невидимые лучи ближнего ИК-диапазона с длиной волны 1064 нм.

YAG представляет собой твердое вещество с кристаллической структурой Y (иттрий), A (алюминий) и G (гранат). Благодаря легированию светоизлучающего элемента, в данном случае неодима (неодима), кристалл YAG войдет в состояние возбуждения за счет поглощения света от лазерного диода.

YVO ₄ лазеры используются для сверхтонкой маркировки и обработки.
YVO ₄ лазеры излучают невидимые лучи ближнего ИК-диапазона с длиной волны 1064 нм, как и YAG-лазер.

YVO ₄ представляет собой твердое вещество с кристаллической структурой Y (иттрий), V (ванадий) и O ₄ (оксид) или Y (иттрий) VO ₄ (ванадат). Благодаря легированию светоизлучающего элемента, в данном случае неодима (неодима), кристалл YVO ₄ перейдет в состояние возбуждения за счет поглощения света лазерным диодом.

CO ₂ лазеры имеют длину волны 10 600 нм, которая является самой длинной из всех промышленных систем.По сравнению с YAG, YVO ₄ и волоконным лазером, длина волны CO ₂ в 10 раз больше.

Как следует из названия, лазеры CO ₂ генерируются за счет стимуляции газа CO ₂ .

• Плохо усваивается металлами
• Плавление и горение происходят из-за длинных волн и теплопередачи
• Может обрабатывать прозрачные предметы, такие как стекло и ПЭТ
• Обычно не может создавать контраст или обесцвечивать

ИК (инфракрасный) свет содержит самые разные длины волн для лазерной обработки.Как следует из названия, ИК-свет содержит волны длиннее видимого красного (то есть длиннее 780 нм).

• Возможность обработки нескольких материалов (включая смолы и металлы)
• Невозможно обрабатывать прозрачные объекты (например, стекло), так как лазерный луч проходит прямо через
• Легко создает контраст на смолах

Лазерные маркеры с одинаковой длиной волны могут иметь разные характеристики луча. Эти изменения стали возможными благодаря различным колебательным методам.Как правило, более высокая пиковая мощность и более короткая длительность импульса уменьшают тепловое повреждение и возгорание.

В лазерах

второй генерации гармоник (ГВГ) используется длина волны 532 нм. Этот лазерный свет виден людям, выглядит зеленым и создается путем передачи длины волны 1064 нм через нелинейный кристалл. Когда свет проходит через кристалл, его длина волны уменьшается вдвое. Обычно используется среда YVO ₄ , потому что характеристики луча хорошо подходят для сложной обработки.

• Высокие коэффициенты поглощения в материалах, которые плохо реагируют с типичными длинами волн ИК-диапазона, а также в материалах, отражающих ИК-свет (например, золото и медь)
• Сложная обработка возможна из-за меньшего размера пятна луча, чем у ИК-лазеров
• Прозрачные объекты обычно не обрабатываются
• Высокая пиковая мощность и ограниченная теплопередача делают лазеры с длиной волны 532 нм идеальными для микрообработки и сложных конструкций.

Скорость лазерного поглощения металлов

Лазеры третьей гармоники (THG) имеют длину волны 355 нм, которая попадает в ультрафиолетовый (УФ) диапазон света.Лазер YVO ₄ или YAG используется для создания основной длины волны (1064 нм), которая передается через нелинейный кристалл, чтобы уменьшить длину волны до 532 нм. Этот свет проходит через второй нелинейный кристалл, уменьшая длину волны до 355 нм.

• УФ-свет имеет чрезвычайно высокий коэффициент поглощения в большинстве материалов и не выделяет чрезмерного количества тепла.
• Очень маленькое пятно луча обеспечивает очень точную обработку
• Для большинства УФ-лазеров сторонних производителей требуется замена оптических кристаллов, что влияет на общие эксплуатационные расходы.

Вот разбивка процесса лазерного излучения

Когда атомы и молекулы поглощают световую энергию, электроны внутри атомов переходят из состояния с низкой энергией (основное состояние) в состояние с высокой энергией. По мере увеличения энергии электроны переходят со своих обычных орбит на внешние. Это состояние увеличения энергии называется возбуждением.

Состояние атома

Атом в основном состоянии

Атом в возбужденном состоянии

Электронное состояние

Уровень энергии возбужденных электронов возрастает в зависимости от количества поглощенной энергии.Через некоторое время электроны с высокой энергией попытаются вернуться в состояние с низкой энергией, испуская энергию. В это время излучается свет.

Это явление называется естественной эмиссией.

Состояние атома
Электронное состояние

Когда входящий свет взаимодействует с электронами высокой энергии, электрон переходит в более низкое энергетическое состояние и излучает свет той же энергии, фазы и направления движения, что и входящий источник.Другими словами, один инжектированный фотон вызывает явление, в котором он превращается в два фотона. Это называется вынужденным излучением.

Свет, создаваемый стимулированным излучением, имеет одинаковую энергию, фазы и направление движения. Таким образом, создание множества источников света со стимулированным излучением позволяет создать сильный свет с помощью этих трех элементов, установленных одинаково.

Лазерный свет создается путем усиления инжектируемого света с помощью явления вынужденного излучения.В результате он обладает такими характеристиками: (1) монохроматический, (2) когерентный и (3) сильно направленный.

Состояние атома
Электронное состояние

Для генерации лазерного луча с использованием естественного излучения необходимо создать среду, в которой количество электронов в состоянии с высокой энергией в подавляющем большинстве случаев превышает количество электронов в состоянии с низкой энергией.Это называется состоянием инверсии населенности.

Другими словами, когда количество естественно излучаемого света превышает поглощенный свет, становится возможным эффективно создавать лазерный луч.

• = Многочисленные электроны высокой энергии
• = Мало электронов высоких энергий

Когда один электрон естественным образом излучает свет в состоянии инверсии населенности, этот свет заставляет другой электрон естественным образом излучать свет.Это приводит к цепной реакции, которая увеличивает количество производимого света и создает сильный луч. Так работает лазерная генерация.

A

Естественные выбросы

B

Вынужденное излучение

Все лазерные колебательные трубки состоят из следующих трех элементов:

1. Средний лазер
2. Источник возбуждения
3. Усилитель

1. Средний лазер
2. Источник возбуждения
3. Усилитель

Дом

Принципы лазера

| Базовые знания | Лазерная маркировка Central

Лазерный свет кардинально отличается от обычного света.Узнайте о принципах работы лазера и характеристиках различных длин волн.

Линейка продуктов для маркировки
Помогаем вам выбрать лучшую маркировочную машину!

Представляем идеальные маркировочные машины для различных материалов, включая нержавеющую сталь, пластик и пленки.

Скачать

Свет — это тип электромагнитной волны, и эти волны имеют стандартные длины волн.Начиная с самых длинных, эти длины волн можно разделить на радиоволны, инфракрасные лучи, видимые лучи, ультрафиолетовые лучи, рентгеновские лучи и гамма-лучи.

Когда свет попадает на объект, длины волн, которые отражаются от объекта, воспринимаются человеческим глазом (сетчаткой). Когда это происходит, мы распознаем отраженные длины волн как цвет объекта.

Показатель преломления различается в зависимости от длины волны, поэтому свет разделяется.В результате мы можем распознавать самые разные цвета. Например, яблоко отражает красные волны света (от 600 до 700 нм) и поглощает все другие длины волн света.

Черные объекты поглощают весь свет и поэтому кажутся черными.

Некоторые электромагнитные волны попадают в диапазон длин волн, который может видеть человек. Их называют видимыми лучами.

На коротковолновой стороне видимые лучи имеют размер от 360 до 400 нм. На длинноволновой стороне они измеряют от 760 до 830 нм. Длины волн, которые короче или длиннее видимых лучей, не видны человеческому глазу.

Вот чем отличается лазерный свет от обычного:

1. 1) Лазеры излучают световые лучи с высокой направленностью, что означает, что составляющие световые волны распространяются вместе по прямой линии, почти не расходясь друг с другом.Обычные источники света излучают световые волны, которые расходятся во всех направлениях.
2. 2) Все световые волны в лазерном луче имеют один цвет, это свойство известно как монохроматичность. Обычный свет, такой как свет от люминесцентной лампы, обычно представляет собой смесь нескольких цветов, которые сочетаются и в результате кажутся белыми.
3. 3) Когда световые волны в лазерном луче движутся, они колеблются своими пиками и впадинами в идеальной синхронизации, характеристика, известная как когерентность.Когда два лазерных луча накладываются друг на друга, пики и впадины световых волн в каждом луче аккуратно усиливают друг друга, создавая интерференционную картину.

Слово ЛАЗЕР является аббревиатурой от «Усиление света за счет вынужденного излучения».

Когда атомы и молекулы поглощают внешнюю энергию, они переходят из состояния с низкой энергией в состояние с высокой энергией.Это состояние с высокой энергией описывается как возбужденное состояние.

Атомы, которые входят в возбужденное состояние, нестабильны и немедленно попытаются вернуться в состояние с низкой энергией. Это называется переходом.

Когда происходит переход, излучается свет, равный разнице энергий между состояниями. Это явление называется естественной эмиссией. Излучаемый свет затем сталкивается с другими атомами, которые находятся в аналогичном возбужденном состоянии, вызывая переход таким же образом. Свет, вызванный излучением, называется стимулированным излучением.

Лазеры можно условно разделить на 3 основных типа: твердотельные, газовые и жидкостные.

Оптимальный лазер будет отличаться в зависимости от желаемого приложения обработки.

CO ₂ лазеры в основном используются для обработки и маркировки.
CO ₂ лазеры излучают невидимые инфракрасные лучи, традиционно с длиной волны 10,6 мкм. Газ N ₂ служит для увеличения уровня энергии CO ₂ , а газ He служит для стабилизации уровня энергии CO ₂ .

Лазеры

YAG используются для универсальной маркировки пластиковых и металлических мишеней, а также для обработки.
YAG-лазеры излучают невидимые лучи ближнего ИК-диапазона с длиной волны 1064 нм.

YAG представляет собой твердое вещество с кристаллической структурой Y (иттрий), A (алюминий) и G (гранат). Благодаря легированию светоизлучающего элемента, в данном случае неодима (неодима), кристалл YAG войдет в состояние возбуждения за счет поглощения света от лазерного диода.

YVO ₄ лазеры используются для сверхтонкой маркировки и обработки.
YVO ₄ лазеры излучают невидимые лучи ближнего ИК-диапазона с длиной волны 1064 нм, как и YAG-лазер.

YVO ₄ представляет собой твердое вещество с кристаллической структурой Y (иттрий), V (ванадий) и O ₄ (оксид) или Y (иттрий) VO ₄ (ванадат). Благодаря легированию светоизлучающего элемента, в данном случае неодима (неодима), кристалл YVO ₄ перейдет в состояние возбуждения за счет поглощения света лазерным диодом.

CO ₂ лазеры имеют длину волны 10 600 нм, которая является самой длинной из всех промышленных систем.По сравнению с YAG, YVO ₄ и волоконным лазером, длина волны CO ₂ в 10 раз больше.

Как следует из названия, лазеры CO ₂ генерируются за счет стимуляции газа CO ₂ .

• Плохо усваивается металлами
• Плавление и горение происходят из-за длинных волн и теплопередачи
• Может обрабатывать прозрачные предметы, такие как стекло и ПЭТ
• Обычно не может создавать контраст или обесцвечивать

ИК (инфракрасный) свет содержит самые разные длины волн для лазерной обработки.Как следует из названия, ИК-свет содержит волны длиннее видимого красного (то есть длиннее 780 нм).

• Возможность обработки нескольких материалов (включая смолы и металлы)
• Невозможно обрабатывать прозрачные объекты (например, стекло), так как лазерный луч проходит прямо через
• Легко создает контраст на смолах

Лазерные маркеры с одинаковой длиной волны могут иметь разные характеристики луча. Эти изменения стали возможными благодаря различным колебательным методам.Как правило, более высокая пиковая мощность и более короткая длительность импульса уменьшают тепловое повреждение и возгорание.

В лазерах

второй генерации гармоник (ГВГ) используется длина волны 532 нм. Этот лазерный свет виден людям, выглядит зеленым и создается путем передачи длины волны 1064 нм через нелинейный кристалл. Когда свет проходит через кристалл, его длина волны уменьшается вдвое. Обычно используется среда YVO ₄ , потому что характеристики луча хорошо подходят для сложной обработки.

• Высокие коэффициенты поглощения в материалах, которые плохо реагируют с типичными длинами волн ИК-диапазона, а также в материалах, отражающих ИК-свет (например, золото и медь)
• Сложная обработка возможна из-за меньшего размера пятна луча, чем у ИК-лазеров
• Прозрачные объекты обычно не обрабатываются
• Высокая пиковая мощность и ограниченная теплопередача делают лазеры с длиной волны 532 нм идеальными для микрообработки и сложных конструкций.

Скорость лазерного поглощения металлов

Лазеры третьей гармоники (THG) имеют длину волны 355 нм, которая попадает в ультрафиолетовый (УФ) диапазон света.Лазер YVO ₄ или YAG используется для создания основной длины волны (1064 нм), которая передается через нелинейный кристалл, чтобы уменьшить длину волны до 532 нм. Этот свет проходит через второй нелинейный кристалл, уменьшая длину волны до 355 нм.

• УФ-свет имеет чрезвычайно высокий коэффициент поглощения в большинстве материалов и не выделяет чрезмерного количества тепла.
• Очень маленькое пятно луча обеспечивает очень точную обработку
• Для большинства УФ-лазеров сторонних производителей требуется замена оптических кристаллов, что влияет на общие эксплуатационные расходы.

Вот разбивка процесса лазерного излучения

Когда атомы и молекулы поглощают световую энергию, электроны внутри атомов переходят из состояния с низкой энергией (основное состояние) в состояние с высокой энергией. По мере увеличения энергии электроны переходят со своих обычных орбит на внешние. Это состояние увеличения энергии называется возбуждением.

Состояние атома

Атом в основном состоянии

Атом в возбужденном состоянии

Электронное состояние

Уровень энергии возбужденных электронов возрастает в зависимости от количества поглощенной энергии.Через некоторое время электроны с высокой энергией попытаются вернуться в состояние с низкой энергией, испуская энергию. В это время излучается свет.

Это явление называется естественной эмиссией.

Состояние атома
Электронное состояние

Когда входящий свет взаимодействует с электронами высокой энергии, электрон переходит в более низкое энергетическое состояние и излучает свет той же энергии, фазы и направления движения, что и входящий источник.Другими словами, один инжектированный фотон вызывает явление, в котором он превращается в два фотона. Это называется вынужденным излучением.

Свет, создаваемый стимулированным излучением, имеет одинаковую энергию, фазы и направление движения. Таким образом, создание множества источников света со стимулированным излучением позволяет создать сильный свет с помощью этих трех элементов, установленных одинаково.

Лазерный свет создается путем усиления инжектируемого света с помощью явления вынужденного излучения.В результате он обладает такими характеристиками: (1) монохроматический, (2) когерентный и (3) сильно направленный.

Состояние атома
Электронное состояние

Для генерации лазерного луча с использованием естественного излучения необходимо создать среду, в которой количество электронов в состоянии с высокой энергией в подавляющем большинстве случаев превышает количество электронов в состоянии с низкой энергией.Это называется состоянием инверсии населенности.

Другими словами, когда количество естественно излучаемого света превышает поглощенный свет, становится возможным эффективно создавать лазерный луч.

• = Многочисленные электроны высокой энергии
• = Мало электронов высоких энергий

Когда один электрон естественным образом излучает свет в состоянии инверсии населенности, этот свет заставляет другой электрон естественным образом излучать свет.Это приводит к цепной реакции, которая увеличивает количество производимого света и создает сильный луч. Так работает лазерная генерация.

A

Естественные выбросы

B

Вынужденное излучение

Все лазерные колебательные трубки состоят из следующих трех элементов:

1. Средний лазер
2. Источник возбуждения
3. Усилитель

1. Средний лазер
2. Источник возбуждения
3. Усилитель

Дом

Принципы лазера

| Базовые знания | Лазерная маркировка Central

Лазерный свет кардинально отличается от обычного света.Узнайте о принципах работы лазера и характеристиках различных длин волн.

Линейка продуктов для маркировки
Помогаем вам выбрать лучшую маркировочную машину!

Представляем идеальные маркировочные машины для различных материалов, включая нержавеющую сталь, пластик и пленки.

Скачать

Свет — это тип электромагнитной волны, и эти волны имеют стандартные длины волн.Начиная с самых длинных, эти длины волн можно разделить на радиоволны, инфракрасные лучи, видимые лучи, ультрафиолетовые лучи, рентгеновские лучи и гамма-лучи.

Когда свет попадает на объект, длины волн, которые отражаются от объекта, воспринимаются человеческим глазом (сетчаткой). Когда это происходит, мы распознаем отраженные длины волн как цвет объекта.

Показатель преломления различается в зависимости от длины волны, поэтому свет разделяется.В результате мы можем распознавать самые разные цвета. Например, яблоко отражает красные волны света (от 600 до 700 нм) и поглощает все другие длины волн света.

Черные объекты поглощают весь свет и поэтому кажутся черными.

Некоторые электромагнитные волны попадают в диапазон длин волн, который может видеть человек. Их называют видимыми лучами.

На коротковолновой стороне видимые лучи имеют размер от 360 до 400 нм. На длинноволновой стороне они измеряют от 760 до 830 нм. Длины волн, которые короче или длиннее видимых лучей, не видны человеческому глазу.

Вот чем отличается лазерный свет от обычного:

1. 1) Лазеры излучают световые лучи с высокой направленностью, что означает, что составляющие световые волны распространяются вместе по прямой линии, почти не расходясь друг с другом.Обычные источники света излучают световые волны, которые расходятся во всех направлениях.
2. 2) Все световые волны в лазерном луче имеют один цвет, это свойство известно как монохроматичность. Обычный свет, такой как свет от люминесцентной лампы, обычно представляет собой смесь нескольких цветов, которые сочетаются и в результате кажутся белыми.
3. 3) Когда световые волны в лазерном луче движутся, они колеблются своими пиками и впадинами в идеальной синхронизации, характеристика, известная как когерентность.Когда два лазерных луча накладываются друг на друга, пики и впадины световых волн в каждом луче аккуратно усиливают друг друга, создавая интерференционную картину.

Слово ЛАЗЕР является аббревиатурой от «Усиление света за счет вынужденного излучения».

Когда атомы и молекулы поглощают внешнюю энергию, они переходят из состояния с низкой энергией в состояние с высокой энергией.Это состояние с высокой энергией описывается как возбужденное состояние.

Атомы, которые входят в возбужденное состояние, нестабильны и немедленно попытаются вернуться в состояние с низкой энергией. Это называется переходом.

Когда происходит переход, излучается свет, равный разнице энергий между состояниями. Это явление называется естественной эмиссией. Излучаемый свет затем сталкивается с другими атомами, которые находятся в аналогичном возбужденном состоянии, вызывая переход таким же образом. Свет, вызванный излучением, называется стимулированным излучением.

Лазеры можно условно разделить на 3 основных типа: твердотельные, газовые и жидкостные.

Оптимальный лазер будет отличаться в зависимости от желаемого приложения обработки.

CO ₂ лазеры в основном используются для обработки и маркировки.
CO ₂ лазеры излучают невидимые инфракрасные лучи, традиционно с длиной волны 10,6 мкм. Газ N ₂ служит для увеличения уровня энергии CO ₂ , а газ He служит для стабилизации уровня энергии CO ₂ .

Лазеры

YAG используются для универсальной маркировки пластиковых и металлических мишеней, а также для обработки.
YAG-лазеры излучают невидимые лучи ближнего ИК-диапазона с длиной волны 1064 нм.

YAG представляет собой твердое вещество с кристаллической структурой Y (иттрий), A (алюминий) и G (гранат). Благодаря легированию светоизлучающего элемента, в данном случае неодима (неодима), кристалл YAG войдет в состояние возбуждения за счет поглощения света от лазерного диода.

YVO ₄ лазеры используются для сверхтонкой маркировки и обработки.
YVO ₄ лазеры излучают невидимые лучи ближнего ИК-диапазона с длиной волны 1064 нм, как и YAG-лазер.

YVO ₄ представляет собой твердое вещество с кристаллической структурой Y (иттрий), V (ванадий) и O ₄ (оксид) или Y (иттрий) VO ₄ (ванадат). Благодаря легированию светоизлучающего элемента, в данном случае неодима (неодима), кристалл YVO ₄ перейдет в состояние возбуждения за счет поглощения света лазерным диодом.

CO ₂ лазеры имеют длину волны 10 600 нм, которая является самой длинной из всех промышленных систем.По сравнению с YAG, YVO ₄ и волоконным лазером, длина волны CO ₂ в 10 раз больше.

Как следует из названия, лазеры CO ₂ генерируются за счет стимуляции газа CO ₂ .

• Плохо усваивается металлами
• Плавление и горение происходят из-за длинных волн и теплопередачи
• Может обрабатывать прозрачные предметы, такие как стекло и ПЭТ
• Обычно не может создавать контраст или обесцвечивать

ИК (инфракрасный) свет содержит самые разные длины волн для лазерной обработки.Как следует из названия, ИК-свет содержит волны длиннее видимого красного (то есть длиннее 780 нм).

• Возможность обработки нескольких материалов (включая смолы и металлы)
• Невозможно обрабатывать прозрачные объекты (например, стекло), так как лазерный луч проходит прямо через
• Легко создает контраст на смолах

Лазерные маркеры с одинаковой длиной волны могут иметь разные характеристики луча. Эти изменения стали возможными благодаря различным колебательным методам.Как правило, более высокая пиковая мощность и более короткая длительность импульса уменьшают тепловое повреждение и возгорание.

В лазерах

второй генерации гармоник (ГВГ) используется длина волны 532 нм. Этот лазерный свет виден людям, выглядит зеленым и создается путем передачи длины волны 1064 нм через нелинейный кристалл. Когда свет проходит через кристалл, его длина волны уменьшается вдвое. Обычно используется среда YVO ₄ , потому что характеристики луча хорошо подходят для сложной обработки.

• Высокие коэффициенты поглощения в материалах, которые плохо реагируют с типичными длинами волн ИК-диапазона, а также в материалах, отражающих ИК-свет (например, золото и медь)
• Сложная обработка возможна из-за меньшего размера пятна луча, чем у ИК-лазеров
• Прозрачные объекты обычно не обрабатываются
• Высокая пиковая мощность и ограниченная теплопередача делают лазеры с длиной волны 532 нм идеальными для микрообработки и сложных конструкций.

Скорость лазерного поглощения металлов

Лазеры третьей гармоники (THG) имеют длину волны 355 нм, которая попадает в ультрафиолетовый (УФ) диапазон света.Лазер YVO ₄ или YAG используется для создания основной длины волны (1064 нм), которая передается через нелинейный кристалл, чтобы уменьшить длину волны до 532 нм. Этот свет проходит через второй нелинейный кристалл, уменьшая длину волны до 355 нм.

• УФ-свет имеет чрезвычайно высокий коэффициент поглощения в большинстве материалов и не выделяет чрезмерного количества тепла.
• Очень маленькое пятно луча обеспечивает очень точную обработку
• Для большинства УФ-лазеров сторонних производителей требуется замена оптических кристаллов, что влияет на общие эксплуатационные расходы.

Вот разбивка процесса лазерного излучения

Когда атомы и молекулы поглощают световую энергию, электроны внутри атомов переходят из состояния с низкой энергией (основное состояние) в состояние с высокой энергией. По мере увеличения энергии электроны переходят со своих обычных орбит на внешние. Это состояние увеличения энергии называется возбуждением.

Состояние атома

Атом в основном состоянии

Атом в возбужденном состоянии

Электронное состояние

Уровень энергии возбужденных электронов возрастает в зависимости от количества поглощенной энергии.Через некоторое время электроны с высокой энергией попытаются вернуться в состояние с низкой энергией, испуская энергию. В это время излучается свет.

Это явление называется естественной эмиссией.

Состояние атома
Электронное состояние

Когда входящий свет взаимодействует с электронами высокой энергии, электрон переходит в более низкое энергетическое состояние и излучает свет той же энергии, фазы и направления движения, что и входящий источник.Другими словами, один инжектированный фотон вызывает явление, в котором он превращается в два фотона. Это называется вынужденным излучением.

Свет, создаваемый стимулированным излучением, имеет одинаковую энергию, фазы и направление движения. Таким образом, создание множества источников света со стимулированным излучением позволяет создать сильный свет с помощью этих трех элементов, установленных одинаково.

Лазерный свет создается путем усиления инжектируемого света с помощью явления вынужденного излучения.В результате он обладает такими характеристиками: (1) монохроматический, (2) когерентный и (3) сильно направленный.

Состояние атома
Электронное состояние

Для генерации лазерного луча с использованием естественного излучения необходимо создать среду, в которой количество электронов в состоянии с высокой энергией в подавляющем большинстве случаев превышает количество электронов в состоянии с низкой энергией.Это называется состоянием инверсии населенности.

Другими словами, когда количество естественно излучаемого света превышает поглощенный свет, становится возможным эффективно создавать лазерный луч.

• = Многочисленные электроны высокой энергии
• = Мало электронов высоких энергий

Когда один электрон естественным образом излучает свет в состоянии инверсии населенности, этот свет заставляет другой электрон естественным образом излучать свет.Это приводит к цепной реакции, которая увеличивает количество производимого света и создает сильный луч. Так работает лазерная генерация.

A

Естественные выбросы

B

Вынужденное излучение

Все лазерные колебательные трубки состоят из следующих трех элементов:

1. Средний лазер
2. Источник возбуждения
3. Усилитель

1. Средний лазер
2. Источник возбуждения
3. Усилитель

Дом

.