Einführung in verschiedene Lasertypen

Introduction to different types of lasers

Laser werden durch den Prozess stimulierter Strahlung erzeugt und sind die Abkürzung für „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“. Die stimulierte Emission wurde 1917 von Einstein vorgeschlagen, und Dirac bewies 1927 erstmals experimentell die Existenz einer stimulierten Emission. Laser ist nach Atomenergie, Computern und Halbleitern eine weitere wichtige Erfindung der Menschheit seit dem 20. Jahrhundert. Es ist eine Art künstliches Licht und wird als „das schnellste Messer“, „das genaueste Lineal“ und „das hellste Licht“ bezeichnet. . Ein Laser ist ein Laser erzeugendes Gerät mit drei Hauptfunktionskomponenten: Pumpquelle, Verstärkungsmedium und Resonanzhohlraum. Die Pumpquelle stellt die Lichtquelle für den Laser bereit. Das Verstärkungsmedium (auch Arbeitsmaterial genannt) absorbiert die von der Pumpquelle bereitgestellte Energie und verstärkt das Licht. Der Resonanzhohlraum ist die Schleife zwischen der Pumplichtquelle und dem Verstärkungsmedium. Der Resonanzhohlraum schwingt in einem ausgewählten Modus, um den Laser auszugeben.

Bei der Laserbearbeitung handelt es sich um eine Technologie, die hochintensive Laserstrahlen verwendet, die von einem optischen System fokussiert werden, um Materialien (einschließlich Metalle und Nichtmetalle) durch die relative Bewegung des Laserstrahls und des Werkstücks zu bearbeiten. Es wird häufig zum Schneiden und Ätzen verwendet. , Schweißen und Feinmikrobearbeitung und viele andere industrielle Produktionsbereiche. Die Laserbearbeitung weist wesentliche Merkmale auf, wie z. B. ein breites Spektrum an Bearbeitungsobjekten, geringe Verformung, hohe Präzision, geringer Energieverbrauch, geringe Umweltverschmutzung, Bearbeitung über große Entfernungen und automatisierte Bearbeitung. Es ist eine neue Fertigungstechnologie und -methode geworden.

Verschiedene Laser verwenden unterschiedliche Lasermedien oder -strukturen, Schwingungswellenlängen, Anregungsquellen usw. Lasermedien sind Substanzen, die Atome enthalten, die die Energie des Anregungslichts in Laserlicht umwandeln können. Die Lasertypen werden nach der Art des Mediums klassifiziert und lassen sich grob in vier Typen einteilen. Das heißt, Festkörperlaser, Halbleiterlaser, Gaslaser und Faserlaser.

Arten von Lasern

Lasermedien

Wellenlänge

Feststofflaser

Nd:YAG, Nd:YVO 4

1064 nm

Gaslaser

CO 2

10600 nm

Halbleiterlaser

AlGaAs, GaN

375–2000 nm

Faserlaser

Yb-dotierte Faser

1000–1150 nm

Wellenlängen handelsüblicher Laser

Wellenlängen handelsüblicher Laser


Halbleiterlaser, auch Laserdioden genannt, sind Laser, die Halbleitermaterialien als Arbeitsmaterial verwenden. Als Beispiel für Halbleiterlaser dienen elektrische Injektionshalbleiterlaser. GaN, GaAS und andere Materialien werden üblicherweise dem Halbleitermaterial hinzugefügt, um eine Halbleiter-Sperrschichtdiode herzustellen. Wenn ein ausreichend großer Strom in die Diode eingespeist wird, rekombinieren die (negativ geladenen) Elektronen im mittleren aktiven Bereich spontan mit den (positiv geladenen) Löchern und geben die überschüssige Energie in Form von Photonen ab, die dann um ein Vielfaches verstärkt werden Reflexionen im Resonanzhohlraum, um einen Laser zu bilden.

Grundstruktur eines Halbleiterlasers

Grundstruktur eines Halbleiterlasers

Der CO2-Gaslaser ist ein Laser, der CO2-Gas als Medium verwendet. In dem mit CO2-Gas gefüllten Rohr sind Elektrodenplatten zur Erzeugung einer Entladung angeordnet. Die Elektrodenplatte ist an eine externe Stromquelle angeschlossen und kann so Hochfrequenzenergie als Anregungsquelle einspeisen. Durch die Entladung zwischen den Elektroden entsteht im Gas Plasma und die CO2-Moleküle werden in einen angeregten Zustand überführt. Wenn die Zahl zunimmt, beginnt die stimulierte Emission.

Struktur des CO2-Lasers

Struktur des CO2-Lasers

Der YAG-Laser-Feststofflaser ist ein Festkörperlaser, der YAG-Kristalle als Lasermedium verwendet. YAG bezeichnet die Kristallisation von Yttrium-Aluminium-Granat unter Zusatz von Neodym. Der Laser ist so konfiguriert, dass auf beiden Seiten Anregungs-LDs parallel zur Achse des YAG-Kristalls angeordnet sind. Zur Bildung eines Resonators wird ein Paar Spiegel verwendet, zwischen denen ein Güteschalter platziert ist. Wird zum Markieren, Schneiden, Gravieren und Schweißen von Metall verwendet.

Struktur des YAG-Festkörperlasers

Struktur des YAG-Festkörperlasers

Faserlaser verwenden optische Fasern als Medium und sind das Ergebnis der Entwicklung der Interrupt-Verstärkungstechnologie für die Fernkommunikation zu Hochleistungslasern. Lichtwellenleiter bestehen aus einem Kern, der in der Mitte Licht durchlässt, und einem Metallmantel, der den Kern in konzentrischen Kreisen umgibt. Faserlaser nutzen diesen Kern als Lasermedium zur Lichtverstärkung. Der Faserlaser besteht im Allgemeinen aus gepulstem Licht, das als Seed-Lichtquelle (Seed Light) bezeichnet wird und von einer Laserdiode (Seed LD) erzeugt und dann von mehr als zwei Faserverstärkern verstärkt wird. Der Anregungs-LD ist mit mehreren Einzelröhrenemittern ausgestattet (einer für die lichtemittierende Schicht). Jeder LD hat eine geringe Leistungsabgabe, sodass er den Vorteil einer geringen thermischen Belastung hat und eine lange Lebensdauer erreicht. Je größer die Anzahl der LDs ist, desto höher ist die Ausgangsleistung des Lasers. Der Wirkungsgrad der Faserlaseroszillation ist hoch und weist im Vergleich zu Festkörperlasern und Gaslasern die Merkmale eines geringeren Stromverbrauchs auf.

Struktur eines Faserlasers

Struktur eines Faserlasers

Die optische Faser zur Verstärkung (Vorverstärker, Hauptverstärker) hat einen dreischichtigen Aufbau, bestehend aus einem Kern und zwei Metallmantelschichten. Das Anregungslicht dringt in die innere Metallhülle (Innenmantel) und den mit Yb versetzten Kern ein, wodurch die Atome im Inneren des Kerns in einen angeregten Zustand übergehen. Der Laser ist im Kern eingeschlossen und bewegt sich weiter und wird dann durch anregende Atome verstärkt. Je weiter es im Medium vordringt, desto stärker ist die Intensität. Im Gegensatz zu Festkörper- oder Gaslasern geht das Licht in eine Richtung und nicht hin und her.

Optische Faserstruktur zur Verstärkung

Optische Faserstruktur zur Verstärkung

Am Beispiel des blauen Lasers beträgt seine Wellenlänge 450 nm und es handelt sich um einen Halbleiterlaser, der GaN als Arbeitsmaterial verwendet. Dank der hohen Absorptionsrate von blauem Licht in Holz, Metall, Keramik, organischem Material usw. und der Massenproduktion und Leistungssteigerung von Blaulicht-Halbleiterlasern in den letzten Jahren ist es möglich geworden, es für den Verbraucherbereich einzusetzen Lasergravierer und reduziert die Kosten erheblich. Verglichen mit CO2-Graviergeräten für Endverbraucher, die etwa 5.000 US-Dollar kosten, beträgt der Preis für blaue Lasergravurgeräte der Einstiegsklasse, wie zum Beispiel LONGER RAY5 5W , nur etwa 200 US-Dollar, während der Preis für leistungsstarke 40-W-Blaulasergravurmaschinen nur 1.399 US-Dollar beträgt LONGER Laser B1 40 W , kann aber Tiefen bis zu 40 mm Linde und 50 mm Acryl schneiden.