polovodičový Laser

souvislosti

laser, což je zkratka pro zesílení světla stimulovanou emisí záření, je zařízení, které přeměňuje elektrickou nebo optickou energii na světlo. Elektrická nebo optická energie se používá k excitaci atomů nebo molekul, které pak emitují monochromatické (jediné vlnové délky) světlo. Laser se skládá z dutiny s rovinnými nebo sférickými zrcadly na koncích, která je vyplněna lasovatelným materiálem. Tento materiál může být vzrušen do polostabilního stavu světlem nebo elektrickým výbojem. Materiálem může být krystal, sklo, kapalina, barvivo nebo plyn, pokud může být tímto způsobem vzrušen. Polovodičový laser je ten, který používá krystal, jehož atomy jsou pevně spojeny, na rozdíl od plynu. Krystal produkuje laserové světlo poté, co je do něj čerpáno světlo lampou nebo jiným laserem.

nejjednodušší dutina má dvě zrcadla, jedno, které zcela odráží a jedno, které odráží mezi 50 a 99%. Jak světlo skáče mezi těmito zrcadly, intenzita se zvyšuje. Protože laserové světlo cestuje ve stejném směru jako intenzivní paprsek, laser produkuje velmi jasné světlo. Laserové paprsky mohou být také promítány na velké vzdálenosti a mohou být zaměřeny na velmi malé místo.

typ zrcadla určuje typ paprsku. Velmi jasný, vysoce monochromatický a koherentní paprsek vzniká, když jedno zrcadlo přenáší pouze 1-2% světla. Pokud se používají rovinná zrcadla, paprsek je vysoce kolimován (vyrobený paralelně). Při použití konkávních zrcadel vychází paprsek blízko jednoho konce dutiny. Typ paprsku v prvním případě činí lasery velmi užitečnými v medicíně, protože tyto vlastnosti umožňují lékaři přesněji zacílit na požadovanou oblast a vyhnout se poškození okolní tkáně.

jedním ze způsobů, jak excitovat atomy na vyšší energetickou úroveň, je osvětlení laserového materiálu světlem vyšší frekvence než laserové světlo. Jinak známý jako optické čerpání, tyto polovodičové lasery používají tyč z pevného krystalického materiálu s jeho konci leštěnými plochými a rovnoběžnými a potaženými zrcadly, aby odrážely laserové světlo. Ionty jsou suspendovány v krystalické matrici a při excitaci emitují elektrony.

strany tyče jsou ponechány čisté, aby se světlo z čerpací lampy dostalo, což může být pulzní výboj plynu produkující blikající světlo. První polovodičový laser používal tyč růžového Rubínu a umělý krystal safíru. Dva běžné polovodičové lasery používané dnes jsou Nd: YAG (Neodym:yttrium hliník granát) a Nd:sklo. Oba používají pro optické čerpání krypton nebo xenonové záblesky. Lze získat brilantní záblesky světla až do tisíců wattů a provozní životnost je téměř 10 000 hodin.

vzhledem k tomu, že laserové světlo může být Zaostřeno na přesné místo s velkou intenzitou, může být malým pulzním laserem generováno dostatečné množství tepla pro odpařování různých materiálů. Lasery se tedy používají v různých procesech odstraňování materiálu, včetně obrábění. Například rubínové lasery se používají k vrtání otvorů v diamantech pro tažení drátů a v safírech pro ložiska hodinek.

historie

koncept laserů poprvé navrhl Albert Einstein, který ukázal, že světlo se skládá z částic bez hmoty nazývaných fotony. Každý foton má energii, která odpovídá frekvenci vln. Čím vyšší je frekvence, tím větší je energie nesená vlnami. Einstein a další vědec jménem S. N. Bose pak vyvinuli teorii fenoménu, kdy fotony mají tendenci cestovat společně. To je princip laseru.

laserová akce byla poprvé demonstrována v mikrovlnné oblasti v roce 1954 nositelem Nobelovy ceny Charlesem Townesem a spolupracovníky. Promítali paprsek molekul amoniaku systémem zaostřovacích elektrod. Při průchodu mikrovlnného výkonu odpovídající frekvence dutinou došlo k amplifikaci a zrodil se termín mikrovlnná amplifikace stimulovanou emisí záření (M.A. S. E. R.). Termín laser byl poprvé vytvořen v roce 1957 fyzikem Gordonem Gouldem.

o rok později Townes spolupracoval s Arthurem Schawlowem a oba navrhli laser, který obdržel patent v roce 1960. Téhož roku vynalezl Theodore Maiman, fyzik v Hughes Research Laboratories, první praktický laser. Tento laser byl polovodičového typu, pomocí růžového rubínového krystalu obklopeného zábleskovou trubicí uzavřenou v leštěné hliníkové válcové dutině chlazené nuceným vzduchem. Rubínový válec byl vyleštěn na obou koncích tak, aby byl rovnoběžný s třetinou vlnové délky světla. Každý konec byl potažen odpařeným stříbrem. Tento laser pracoval v pulzním režimu. O dva roky později byl vytvořen kontinuální rubínový laser nahrazením bleskové lampy obloukovou lampou.

poté, co byl Maimanův laser úspěšně prokázán, jiní vědci vyzkoušeli řadu dalších substrátů a vzácných zemin, včetně erbia, neodymu a dokonce i uranu. Yttrium hliníkový granát, sklo, a substráty fluoridu vápenatého byly testovány. Vývoj výkonných laserových diod (zařízení, které vytváří koherentní světelný výkon pomocí elektrod nebo polovodičů) v 80. letech vedl k tomu, že lasery v pevné fázi v režimu kontinuálních vln byly účinnější, kompaktnější a spolehlivější. Diodová technologie se zlepšila během 1990ů a nakonec zvýšila výstupní výkon polovodičových laserů na úroveň multikilowattt.

Nd: YAG a rubínové lasery se nyní používají v mnoha průmyslových, vědeckých a lékařských aplikacích spolu s dalšími polovodičovými lasery, které používají různé typy krystalů. Nd: YAG lasery se také používají pro monitorování znečištění, svařování a další použití. Tento typ krystalu je nejrozšířenější-více než dvě třetiny pěstovaných krystalů jsou tento typ. Mezi další pěstované krystaly patří Nd:YVO4 (yttrium orthovanadate), ND:sklo a Er:YAG.

suroviny

optické, mechanické a elektronické součástky vyrobené z různých materiálů (krystaly ,kovy, polovodiče atd.) jsou obvykle dodávány jinými výrobci. Outsourcing se liší od výrobce laseru k výrobci. Polovodičový laser se skládá ze dvou hlavních složek, nebo “ krabice.“Jedna součást obsahuje optiku (laserový krystal a zrcadla) a druhá obsahuje elektroniku(napájení, vnitřní ovládací prvky). Někdy jsou tyto dvě komponenty integrovány do jedné krabice.

Design

konstrukce laserové dutiny je určena aplikací. Výzkumná a vývojová skupina obvykle vyvíjí design. Tato konstrukce určuje provozní charakteristiky, včetně výkonu, vlnové délky a dalších vlastností paprsku. Návrháři také obsahují bezpečnostní prvky podle požadavků úřadu pro kontrolu potravin a léčiv(FDA).

výrobní proces

• 1 obvykle se všechny nebo většina součástí vyrábí jinde. Například pěstitelé krystalů poskytují laserový materiál. Růst Nd:YAG crystal, prášková sloučenina oxidu s vysokou čistotou požadovaných prvků, se umístí do kelímku a roztaví se v vysokofrekvenční peci při vysokých teplotách. Semenný krystal se pak uvede do styku s povrchem kapaliny. Když se semenný krystal pomalu zvedá, otáčí a mírně ochladí, objeví se jeden krystal požadované kompozice rychlostí asi 0,02 in (0,5 mm) za hodinu.

  typické Nd: YAG krystaly se pohybují od 2,4-3,1 in (60-80 mm) v průměru o 6,9-8,9 in (175-225 mm) na délku. Tyče, oplatky a desky v různých geometriích jsou extrahovány z pěstovaného krystalu, poté vyrobeny, leštěny a potaženy podle specifikací zákazníka. Hotové výrobky se pohybují od tyčí tak malých jako 0.02 in (0.5 mm) v průměru I in (25 mm)

  

  polovodičový laser se skládá z dutiny s rovinnými nebo sférickými zrcadly na každém konci, která je naplněna krystalem, jehož atomy jsou pevně spojeny. Poté, co je do něj čerpáno světlo lampou nebo jiným laserem, krystal produkuje světlo, které se odrazí mezi zrcadly, zvyšuje intenzitu a vytváří velmi jasné světlo.

  dlouhé až deskové geometrie velké jako 0,3 x 1,5 palce (8 x 37 mm) v průřezu o 9,2 palce (235 mm) dlouhé. Nejběžnější ND: geometrie tyče YAG je pravý kruhový válec.

montáž

• 2 Jakmile je laser navržen a přijaty komponenty, optika je integrována s mechanickými součástmi. Technik sleduje plán a umístí optické komponenty do požadovaných poloh pomocí kovových držáků nebo montážních zařízení. Tento postup se provádí v čistém prostředí místnosti, aby se zabránilo kontaminaci optických součástí.

zarovnání

• 3 Dále je laserová dutina zarovnána tak, že pracuje na požadovaných specifikacích. To se provádí na zkušebním stole jiným technikem, pomocí jiného laseru, který pomůže s vyrovnáním.

závěrečné testování

• 4 před odesláním laseru zákazníkovi prochází krokem zvaným end testing, který v podstatě kontroluje správnou funkci laseru, včetně výstupního výkonu, kvality paprsku a dalších charakteristik. Laser je provozován po dobu několika hodin, aby se ujistil, že projde kontrolou.

kontrola kvality

většina výrobců laserů dodržuje mezinárodní standardy kvality, které poskytují zpětné vazby během celého výrobního procesu. Laser také prochází několika hlavními testovacími postupy, jak bylo popsáno výše.

Všechna laserová zařízení distribuovaná ve Spojených státech musí být certifikována jako vyhovující federálnímu standardu výkonu laserového produktu a před distribucí koncovým uživatelům musí být hlášena Úřadu pro shodu v Centru pro zařízení a radiologické zdraví (CDRH). Tato výkonnostní norma specifikuje bezpečnostní prvky a označení, které musí mít všechny lasery, aby byla uživatelům poskytnuta odpovídající bezpečnost. Každý laser musí být před uvedením na trh certifikován, že splňuje normu. Certifikace znamená, že každá jednotka prošla zkouškou zajištění kvality, která splňuje výkonnostní normu. Ti, kteří certifikují lasery, přebírají odpovědnost za hlášení a oznámení jakýchkoli problémů s laserem.

vedlejší produkty / odpad

vzhledem k tomu, že dodavatelé různých komponent obvykle dodržují celkové postupy řízení kvality, výrobce laseru netestuje komponenty na vady a je zde málo odpadu. Pokud jsou nalezeny vadné součásti, jsou někdy odeslány zpět výrobci.

budoucnost

jsou navrženy polovodičové lasery, které mají vyšší výkon, jsou rychlejší, mají kratší vlnové délky a lepší kvalitu paprsku, což rozšíří jejich aplikace. Například se vyvíjejí laserové materiály, které budou schopny vytlačit mnoho miliard impulsů do jedné sekundy, což má za následek, že femtosekundové lasery dodávají desítky impulzů v každé nanosekundě. Polovodičové lasery, které mohou poskytovat energii na úrovni terawattu nebo petawattu, se také testují na výrobu jaderných reakcí, s potenciálem použití v aplikacích nukleární medicíny, jako je skenování CAT. Nd: YAG lasery expandují do elektronického průmyslu pro vrtání, pájení a ořezávání aplikací. Laserové krystaly se nadále vyrábějí tak, aby vydržely déle.

očekává se, že světový trh s laserovými systémy vzroste z 4,7 miliardy dolarů v roce 2000 na 8 miliard dolarů v roce 2005, přičemž trh s laserovými polovodiči dosáhne více než 1,1 miliardy dolarů ve srovnání s 4,6 miliardy dolarů u diodových laserů. Solid state lasery nahrazují barviva, iontové a Heneové lasery na určitých trzích. Jiní analytici předpovídají, že flashlamp čerpané polovodičové lasery do roku 2003 vzrostou na 660 milionů dolarů a diodově čerpané polovodičové lasery na 312 milionů dolarů. Druhý typ laseru se stane populárnějším pro takové průmyslové aplikace, jako je univerzální značení a zpracování materiálů, protože náklady klesají a jsou k dispozici vyšší pravomoci. Tyto lasery jsou také navrženy s minimální údržbou.