Поиск по каталогу  |  Интер-Сервис      in-s ООО "ВолгаЛазер" ООО "ВолгаЛазер"
ЛК 2015
ELEn C2200
MGO 3000
О компании
Производство
лазерная резка металлов, резка металлов
Услуги / цены
Контакты
 

Твердотельные лазеры

Первым реализованным в 1960 г. лазером на кристалле рубина в качестве активной среды был твердотельный лазер, причем лазер этого типа и в настояшее время еще принадлежит к классу важнейших. Этот лазер пригоден, в частности, для получения высокой и очень высокой импульсных мощностей и находит разнообразные практические применения.

Излучение твердотельных лазеров применяется прежде всего в области нелинейной оптики, обработки материалов (сварка лазерным излучением, лазерная резка и др.), измерительной техники, а также для создания плазмы в рамках лазерного термоядерного синтеза.

Твердотельный лазер содержит в качестве активной среды кристаллы или стекла, которые активируются ионами металлов или ионами редкоземельных элементов. Эти активные ионы поглощают оптическое излучение в широкой спектральной области. В результате релаксационных процессов или излучательных переходов через различные промежуточные уровни происходит возбуждение относительно долгоживущего (метастабильного) уровня в качестве исходного уровня для испускания вынужденного излучения, т.е. лазерного перехода. Твердотельные лазеры преимущественно излучают в видимой и ИК-спектральной областях.

Возбуждение происходит исключительно с помощью оптической накачки при использовании подходящих источников света в специальном устройстве (для эффективного введения излучения накачки в лазерную среду).

Твердотельные лазеры характеризуются относительно простой компактной конструкцией (рис. 1) и высокой импульсной мощностью (при относительно низком качестве излучения).

Твердотельные лазеры

Рис. 1 – Схематическое изображение конструкции твердотельного лазера: 1 – зеркало; 2 – модовая диафрагма; 3 – отражатель; 4 – лазерный стержень; 5 – лампа накачки

Накачка твердотельных лазеров происходит непосредственно с помощью излучения. Инверсия заселенностей создается при слабозаселенном нижнем лазерном уровне (исключение – рубиновый лазер) благодаря достаточному возбуждению верхнего уровня, при этом в качестве лазерных переходов преимущественно рассматриваются такие переходы, которые имеют в спектрах флуоресценции максимальную интенсивность излучения.

Активные элементы изготавливаются в виде стержней с отполированными торцевыми поверхностями, с нанесенными зеркальными покрытиями и также с обработанной поверхностью для эффективного введения излучения накачки.

Излучение накачки создается в импульсном или непрерывном режиме с помощью ламп различных форм и наполнения газом, а также с помощью лазера. Накачка с помощью лазеров особенно эффективна.

В качестве источников накачки для твердотельных лазеров применяются: ксеноновые лампы, криптоновые лампы, ртутные лампы высокого давления, галогенные лампы.

Из твердотельных лазеров наибольшее распространение для обработки материалов (сварка лазерным излучением, лазерная резка металла и др.) получили лазеры на рубине, стекле с неодимом и на гранатах с неодимом.

Рубиновый лазер. Этот лазер преимущественно работает в импульсном режиме и генерирует излучение на длине волны 0,6943 мкм. Из-за возможности получения больших импульсных мощностей, а также наличия рубиновых кристаллов высокого оптического качества рубиновый лазер – и в настоящее время один из наиболее известных твердотельных лазеров. Рубиновый кристалл состоит из молекул оксида алюминия, в его решетке вместо некоторых ионов алюминия внедрены ионы хрома.

Рубиновые кристаллы имеют стержневую форму диаметром 0,3-2 см и длину до 30 см. Рубиновые кристаллы оптически хорошего качества относительно легко изготавливать, они имеют большую механическую прочность и высокую теплопроводность, что облегчает охлаждение кристалла.

Излучение накачки создается мощными стержневыми ксеноновыми лампами с несколькими эллиптическими отражателями или спиральными лампами.

Излучение рубинового лазера характеризуется большой мощностью при невысоком качестве излучения (неоднородное распределение по поперечному сечению, пичковый характер излучения).

Неодимовый стеклянный лазер. Этот лазер является твердотельным лазером, излучающим в ближнем ИК-диапазоне, который применяется, например, для лазерного управляемого термоядерного синтеза, обработки материалов (сварка лазерным излучением, лазерная резка и др.) или – при меньших мощностях – в качестве лазера накачки.

В качестве активных ионов в стекло, используемое в качестве матрицы, вводятся ионы Nd3+ с массовым содержанием 0,5-8 %.

Неодимовый стеклянный лазер работает по четырехуровневой схеме. Поскольку нижний лазерный уровень почти не заселен, то этот тип лазеров обладает относительно низкой пороговой мощностью, в результате чего нетрудно осуществить непрывный режим работы.

Для оптической накачки преимущественно применяются стержневые импульсные лампы с эллиптическим отражателем. В качестве материала матрицы применяются силикатное, фосфатное и бариевое стекла. Преимущества стекла заключаются в простоте изготовления активных элементов с большими размерами и хорошем оптическом качестве.

Недостатки связаны с низким коэффициентом теплопроводности (для непрерывного режима работы необходимы специальные стекла), сильным уширением линии флуоресценции и линии поглощения (частично неоднородным); неблагоприятным отношением неоднородной ширины к однородной ширине линии флуоресценции в силикатном стекле.

Nd-ИАГ-лазеры. В настоящее время лазер этого типа является важнейшим твердотельным лазером. Он характеризуется тем, что при относительно простой конструкции достигаются высокие мощности в импульсном режиме при высокой частоте следования импульсов лазерного излучения (до 10 кГц) или даже в неперывном режиме. Физический принцип получения инверсии заселенностей в этом лазере точно совпадает – при том же активном ионе Nd3+ – с принципом создания инверсии заселенностей в лазере на стекле с неодимом. Основное отличие заключается в использовании кристаллической матрицы. В неодимовом ИАГ-лазере речь идет об иттриево-алюминиевом гранате.

Преимущества иттриево-алюминневого граната по сравнению со стеклом: 1) высокая механическая прочность и твердость; 2) хорошая теплопроводность; 3) отсутствует необходимость в компенсации заряда.

Кристаллы иттриево-алюминиевого граната применяются в виде стержней диаметром 0,3-0,8 и длиной 3-10 см. Возбуждение среды происходит с помощью оптической накачки в следующих режимах:
а) в импульсном режиме – ксеноновыми импульсными лампами, часто в простом устройстве с цилиндрическим отражателем;
б) в непрерывном режиме – галогенными лампами и преимущественно для высоких мощностей – криптоновыми дуговыми лампами в устройствах с одним или двумя эллиптическими отражателями.

Nd-ИАГ-лазеры являются основными источниками накачки и источниками излучения в современной лазерной физике. Лазер генерирует линейно поляризованное излучение и тем самым пригоден, в частности, в качестве источника накачки для нелинейной оптики. Благодаря большой мощности импульса применяются также в офтальмологии для лазерной резки тканей. В промышленных целях (сварка лазерным излучением, лазерная резка металла и др.) Nd-ИАГ-лазеры применяются для обработки малогабаритных деталей.

Выберите интересующую Вас фотографию

Общество с ограниченной ответственностью "ВолгаЛазер"
404110, Волгоградская обл., г. Волжский, ул. Молодежная, д. 17, офис 8
Схема проезда
тел. (8443) 22-87-21
Яндекс цитирования ЛАЗЕРНАЯ РЕЗКА
ЛАЗЕРНАЯ РЕЗКА МЕТАЛЛА