טכנולוגיית הלייזר נכנסה לחייהם של אנשים מכל ההיבטים, אך ישנם סוגים רבים של מחוללי לייזר, שלכל אחד מהם אורכי גל שונים ומאפיינים שונים, כך שגם תחומי היישום שונים. אני מאמין שרוב האנשים מרגישים קצת כאב ראש לנוכח הסוגים המסובכים של מחוללי לייזר. לכן, מאמר זה מסכם ומסביר את התכונות והיישומים המעשיים של סוגים שונים של גנרטורים לייזר אחד אחד.
על פי מדיות עבודה שונות, מחוללי לייזר מחולקים ל-6 סוגים: מחוללי לייזר במצב מוצק, גז, צבע, דיודה, סיבים ואלקטרון חופשי. ביניהם, ישנן חלוקות משנה רבות של לייזרים במצב מוצק וגז. פרט ללייזרי אלקטרונים חופשיים, עקרונות העבודה הבסיסיים של לייזרים שונים זהים, כולל מקור משאבה, תהודה אופטית ומדיום רווח.
מחולל לייזר מוצק
במחוללי לייזר במצב מוצק, אור משמש בדרך כלל כמקור המשאבה, והגביש או הזכוכית שיכולים ליצור אור נקראים חומר עבודה. החומר מורכב ממטריקס ויון מופעל. החומר המטריצה מספק קיום וסביבת עבודה מתאימים ליון המופעל, והיון המופעל משלים את תהליך יצירת הלייזר. היונים הפעילים הנפוצים הם בעיקר יוני מתכת מעבר, כגון כרום, קובלט, ניקל ויונים אחרים ויוני מתכת אדמה נדירים, כגון יוני ניאודימיום. המראות המצופות בסרטים דיאלקטריים משמשות כמראות תהודה, שאחת מהן היא מראה מלאה והשנייה היא חצי מראה. בעת שימוש ביונים מופעלים שונים, חומרים מטריקס שונים ואורכי גל שונים של עירור אור, ייפלטו לייזרים שונים באורכי גל שונים.
פלט אורך הגל של הלייזר על ידי מחולל לייזר רובי הוא 694.3nm, ושיעור ההמרה הפוטואלקטרי נמוך, רק 0.1%. עם זאת, חיי הפלורסנט שלו ארוכים, מה שמסייע לאגירת אנרגיה, והוא יכול להפיק כוח שיא דופק גבוה. הלייזר שנוצר על ידי מוט אודם בעובי של ליבת עט ואצבע ארוכה יכול לחדור בקלות אל יריעת הברזל. לפני הופעתן של מערכות לייזר YAG יעילות יותר, נעשה שימוש נרחב במערכות לייזר רובי חיתוך לייזר וקידוח. בנוסף, אור 694 ננומטר נספג בקלות על ידי המלנין, ולכן משתמשים בלייזרי רובי גם בטיפול בנגעים פיגמנטיים (כתמי עור).
בשל תכונות הקריסטל שלו, מחולל הלייזר Ti:Sapphire הוא בעל טווח כוונון רחב (כלומר טווח אורך הגל הניתן לכוונון), והוא יכול להפיק אור באורך גל של 660nm-1200nm לפי הצורך. יחד עם הבשלות של טכנולוגיית הכפלת התדרים (שיכולה להכפיל את תדירות האור, כלומר להקטין בחצי את אורך הגל), ניתן להרחיב את טווח אורכי הגל ל-330nm-600nm. מערכות לייזר טיטניום ספיר משמשות בספקטרוסקופיה Femto2nd, מחקר אופטיקה לא ליניארית, יצירת אור לבן, יצירת גלי טרה-הרץ וכו', ויש להן גם יישומים ביופי רפואי.
YAG הוא הקיצור של נופך אלומיניום איטריום, שהוא מטריצת קריסטל הלייזר המצוינת ביותר כיום. לאחר שסומם בניאודימיום (Nd), הוא יכול להוציא 1064nm אור, ועוצמת הפלט הרציפה המקסימלית יכולה להגיע ל-1000w. בימים הראשונים, מנורת הבזק גז אינרטי שימשה כמקור המשאבה, אך לשיטת משאבת מנורת הבזק יש טווח ספקטרלי רחב, צירוף מקרים גרוע עם ספקטרום הספיגה של מדיום הרווח ועומס תרמי גדול, וכתוצאה מכך קצב המרה פוטו-אלקטרי נמוך. אז עכשיו באמצעות שאיבת LD (דיודה לייזר), ניתן להשיג יעילות גבוהה, הספק גבוה וחיים ארוכים. מחוללי לייזר Nd:YAG יכולים לשמש בטיפול בהמנגיומות ומעכבים את צמיחת הגידול. עם זאת, הנזק התרמי לרקמה אינו סלקטיבי. בזמן קרישת כלי הדם של הגידול, האנרגיה העודפת תפגע גם ברקמה הרגילה שמסביב, וקל להשאיר צלקות לאחר הניתוח. לכן, הלייזר Nd:YAG משמש בעיקר בכירורגיה, גינקולוגיה, אף אוזן גרון, ופחות ברפואת עור.
Yb: YAG, Ytterbium (Yb) מסומם לתוך YAG, שיכול להפיק אור של 1030nm. אורך גל המשאבה של Yb:YAG הוא 941nm, שהוא קרוב מאוד לאורך הגל הפלט, שיכול להשיג יעילות קוונטית של משאבה של 91.4%, והחום שנוצר על ידי המשאבה מדוכא עד פנימה. 10% (רוב אנרגיית הכניסה מומרת לפלט האנרגיה, שחלק קטן ממנה הופך לחום, פירושו שיעילות ההמרה גבוהה מאוד), שהיא 25% ל 30% של Nd:YAG. Yb:YAG הפכה לאחת מאמצעי הלייזר האטרקטיביים ביותר במצב מוצק, ומחוללי לייזר מוצק Yb:YAG הנשאבים מ-LD הפכו למוקד מחקר חדש, ונחשבים כאחד מהכיוון הראשי של גנרטורי לייזר מוצק בעלי יעילות גבוהה בפיתוח.
בנוסף לשניים לעיל, ניתן לסמם את YAG גם בהולמיום (Ho), ארביום (Er) וכו'. Ho:YAG מייצרת לייזרים 2097nm ו-2091nm בטוחים לעין, בעיקר לתקשורת אופטית, מכ"ם ויישומים רפואיים. Er:YAG מוציא אור של 2.9 מיקרומטר, ולגוף האדם יש קצב ספיגה גבוה של אורך גל זה, שיש לו פוטנציאל יישום גדול עבור ניתוחי לייזר וניתוחי כלי דם.
מחולל לייזר גז
גנרטורים לייזר גז הם מערכות לייזר המשתמשות בגז כאמצעי רווח, בדרך כלל שואבות פריקות גז. סוגי הגזים כוללים גזים אטומיים (הליום-ניאון, יון גז אצילי ואדי מתכת), גזים מולקולריים (חנקן ופחמן דו-חמצני), גזי אקסימר, ומסופקים על ידי תגובות כימיות.
מחולל הלייזר HeNe (HeNe) משתמש בתערובת של 75% או יותר He ו-15% או פחות Ne כמדיום ההגברה. בהתאם לסביבת העבודה, הוא יכול לפלוט ירוק (543.5nm), צהוב (594.1nm), כתום (612.0nm), אדום (632.8nm) ו-3 סוגים של אור קרוב לאינפרא אדום (1152nm, 1523nm ו-3391nm), מתוכם האור האדום הנפוץ ביותר (632.8). לפלט הקרן על ידי מחולל הלייזר HeNe יש חלוקה גאוסית, ואיכות הקרן יציבה מאוד. למרות שההספק אינו גבוה, יש לו ביצועים טובים בתחום המדידה המדויקת.
מחוללי הלייזר הנפוצים של הגז האציל הם יוני ארגון (Ar+) ויוני קריפטון (Kr+). קצב המרת האנרגיה שלו יכול להגיע עד 0.6%, והוא יכול להפיק ברציפות ויציבה הספק של 30-50 ואט במשך זמן רב, ותוחלת החיים שלו עולה על 1000 שעות. משמש בעיקר בתצוגת לייזר, ספקטרוסקופיה של ראמאן, הולוגרפיה, אופטיקה לא ליניארית ותחומי מחקר אחרים, כמו גם אבחון רפואי, הפרדת צבע בהדפסה, עיבוד חומרים מטרולוגיים ועיבוד מידע.
מחוללי לייזר אדי מתכת לוקחים אדי נחושת כדוגמה. מחולל הלייזר אדי נחושת מוציא בעיקר אור ירוק (510.5 ננומטר) ואור צהוב (578.2 ננומטר), שיכול להגיע להספק ממוצע של 100 וואט ולשיא הספק של 100 קילוואט. אזור היישום העיקרי שלו הוא מקור המשאבה של מחוללי לייזר צבע. בנוסף, ניתן להשתמש בו גם לצילום פלאש במהירות גבוהה, טלוויזיה להקרנת מסך גדול ועיבוד חומרים.
מחולל הלייזר המולקולרי חנקן משתמש בחנקן כמדיום ההגברה, שיכול לפלוט אור אולטרה סגול של 337.1 ננומטר, 357.7 ננומטר ו-315.9 ננומטר, ושיא ההספק יכול להגיע ל-45 קילוואט. זה יכול לשמש כמקור אור משאבה עבור מחוללי לייזר צבע אורגני, והוא נמצא בשימוש נרחב גם בהפרדת לייזר של איזוטופים, אבחון פלואורסצנטי, צילום במהירות גבוהה במיוחד, זיהוי זיהום, טיפול רפואי ובריאות וגידול חקלאי. מכיוון שקל יותר להתמקד באורך הגל הקצר שלו כדי להשיג נקודה קטנה, ניתן להשתמש בו גם לעיבוד רכיבים תת-מיקרוניים.
מדיום הרווח המשמש ב- CO2 מחולל הלייזר הוא פחמן דו חמצני מעורבב עם הליום וחנקן, שיכול להפיק אור אינפרא אדום רחוק שמרכזו אורכי גל של 9.6 מיקרומטר ו-10.6 מיקרומטר. לגנרטור יש יחס המרת אנרגיה גבוה, הספק המוצא יכול לנוע בין מספר וואטים לעשרות אלפי וואט, ואיכות האלומה הגבוהה במיוחד הופכת את CO2 מחולל לייזר בשימוש נרחב בעיבוד חומרים, מחקר מדעי, הגנה לאומית ורפואה. אתה תפגש אחרת CO2 חותכי לייזר ו חרטות לייזר לחריטה וחיתוך עץ, MDF, דיקט, בד, עור, זכוכית, פלסטיק ואקריליק בחיי היומיום ובעסקים שלך.
אקצימרים הם מולקולות לא יציבות שמתמלאות בתערובות של גזים אצילים וגזי הלוגן שונים במהוד כדי ליצור לייזרים באורכי גל שונים. העירור מושגת בדרך כלל על ידי קרני אלקטרונים רלטיביסטיות (אנרגיה גדולה מ-200 keV) או על ידי פריקות דופק מהירות רוחביות. כאשר הקשרים המולקולריים הלא יציבים של האקסימר המצב הנרגש נשברים ומתפרקים לאטומי מצב קרקע, האנרגיה של המצב הנרגש משתחררת בצורה של קרינת לייזר. הוא נמצא בשימוש נרחב ברפואה, תקשורת אופטית, תצוגת מוליכים למחצה, חישה מרחוק, נשק לייזר ותחומים אחרים.
מחולל לייזר כימי הוא סוג מיוחד של מערכת לייזר גז המשתמשת באנרגיה המשתחררת בתגובה כימית כדי לממש היפוך מספר החלקיקים. רובם פועלים במצב מעבר מולקולרי, וטווח אורכי הגל הטיפוסי הוא באזור הספקטרלי הקרוב לאינפרא אדום עד אמצע אינפרא אדום. החשובים שבהם הם התקני מימן פלואוריד (HF) ודוטריום פלואוריד (DF). הראשון יכול להפיק יותר מ-15 קווים ספקטרליים בין 2.6 ל-3.3 מיקרון; לאחרון יש כ-25 קווים ספקטרליים בין 3.5 ל-4.2 מיקרון. שני המכשירים מסוגלים כרגע ליציאות של ריבוי מגה וואט. בגלל האנרגיה העצומה שלו, הוא משמש בדרך כלל בהנדסה גרעינית ובתחומים צבאיים.
מחולל לייזר צבע
מחוללי לייזר צבע משתמשים בצבע אורגני כמדיום לייזר, בדרך כלל בתמיסה נוזלית. ניתן להשתמש במחוללי לייזר צבעוניים בדרך כלל בטווח רחב יותר של אורכי גל מאשר מדיות לייזר גזי ומוצק. רוחב הפס הרחב שלהם הופך אותם למתאימים במיוחד למחוללי לייזר ניתנים לכוונון ופעימות. עם זאת, בשל חייו הבינוניים הקצרים והספק המוצא המוגבל שלו, הוא מוחלף בעצם בלייזרים במצב מוצק הניתנים לכוונון אורך גל כגון טיטניום ספיר.
מחולל לייזר דיודה
מחולל לייזר דיודה הוא מערכת לייזר המשתמשת בחומרים מוליכים למחצה כחומר העבודה. ישנם 3 מצבי עירור: הזרקה חשמלית, עירור קרן אלקטרונים ושאיבה אופטית. גודל קטן, מחיר נמוך, יעילות גבוהה, חיי שירות ארוכים, צריכת חשמל נמוכה, ניתן להשתמש במידע אלקטרוני, הדפסת לייזר, מצביע לייזר, תקשורת אופטית, טלוויזיית לייזר, מקרן לייזר קטן, מידע אלקטרוני, אופטיקה משולבת ותחומים נוספים.
מחולל לייזר סיבים
מחולל לייזר סיבים מתייחס לסוג של מערכת לייזר המשתמשת בסיבי זכוכית מסוממים באלמנטים של אדמה נדירה כאמצעי רווח. הוא נמצא בשימוש נרחב בהדפסה מתכת ולא מתכת, סימון, חריטה, קידוח, חיתוך, ניקוי, ריתוך (הלחמה, מרווה מים, חיפוי וריתוך עמוק), צבא, הגנה ובטחון, ציוד רפואי, תשתית גדולה וכמשאבה למקורות לייזר אחרים. אתה תפגש חרטות לייזר סיבים לטקסטים ודפוסים מותאמים אישית, חותכי לייזר סיבים לייצור מתכת, מכונות ניקוי בלייזר סיבים להסרת חלודה, הפשטת צבע והסרת ציפוי, מכונות ריתוך לייזר סיבים עבור מפרקי מתכת בחייך.
מחולל לייזר אלקטרוני בחינם
מחולל לייזר אלקטרוני חופשי הוא סוג חדש של מקור קרינה קוהרנטי בעל הספק גבוה השונה ממחולל לייזר מסורתי. הוא אינו זקוק לגז, נוזל או מוצק כחומר עבודה, אלא ממיר ישירות את האנרגיה הקינטית של אלומת אלקטרונים עתירת אנרגיה לאנרגיית קרינה קוהרנטית. לכן, ניתן גם להתייחס לכך שחומר העבודה של מחולל הלייזר האלקטרוני החופשי הוא אלקטרונים חופשיים. יש לו סדרה של מאפיינים מצוינים כגון הספק גבוה, יעילות גבוהה, טווח רחב של כוונון אורכי גל ומבנה זמן של פולסים קצרים במיוחד. מלבד זה, אין גנרטור לייזר שיכול לקבל את התכונות הללו בו זמנית. יש לו סיכויים ניכרים בתחומי מחקר פיזיקה, נשק לייזר, היתוך לייזר, פוטוכימיה ותקשורת אופטית.
