baggrund
en laser, som er et akronym for Lysforstærkning ved stimuleret Emission af stråling, er en enhed, der omdanner elektrisk eller optisk energi til lys. Elektrisk eller optisk energi bruges til at ophidse atomer eller molekyler, som derefter udsender monokromatisk (enkelt bølgelængde) lys. En laser består af et hulrum med plane eller sfæriske spejle i enderne, der er fyldt med laserbart materiale. Dette materiale kan ophidses til en halvstabil tilstand ved lys eller elektrisk udladning. Materialet kan være en krystal, glas, væske, farvestof eller gas, så længe det kan ophidses på denne måde. En faststoflaser er en, der bruger en krystal, hvis atomer er stift bundet, i modsætning til en gas. Krystallen producerer laserlys, når lyset pumpes ind i det af enten en lampe eller en anden laser.
det enkleste hulrum har to spejle, en der reflekterer fuldstændigt og en der reflekterer mellem 50 og 99%. Når lyset springer mellem disse spejle, øges intensiteten. Da laserlyset bevæger sig i samme retning som en intens stråle, producerer laseren meget stærkt lys. Laserstråler kan også projiceres over store afstande og kan fokuseres på et meget lille sted.
typen af spejl bestemmer typen af stråle. En meget lys, meget monokromatisk og sammenhængende stråle produceres, når et spejl kun transmitterer 1-2% af lyset. Hvis der anvendes planspejle, er strålen stærkt kollimeret (lavet parallelt). Strålen kommer ud nær den ene ende af hulrummet, når der anvendes konkave spejle. Stråletypen i det første tilfælde gør lasere meget nyttige i medicin, da disse egenskaber gør det muligt for lægen at målrette det ønskede område mere præcist og undgå skader på omgivende væv.
en måde at ophidse atomerne til et højere energiniveau er at belyse lasermaterialet med lys med en højere frekvens end laserlyset. Ellers kendt som optisk pumpning bruger disse faststoflasere en stang af fast krystallinsk materiale med dets ender poleret fladt og parallelt og belagt med spejle for at reflektere laserlyset. Ioner suspenderes i den krystallinske Matrice og udsender elektroner, når de er spændte.
stangens sider er klare for at optage lyset fra pumpelampen, som kan være en pulserende gasudladning, der producerer blinkende lys. Den første solid state laser brugte en stang af pink rubin og en kunstig krystal af safir. To almindelige faststoflasere, der anvendes i dag, er Nd:YAG (neodym:yttrium aluminium granat) og Nd:glas. Begge bruger krypton-eller ksenon-flashlamper til optisk pumpning. Strålende lysglimt op til tusinder af vand kan opnås, og driftstiden er tæt på 10.000 timer.
da laserlys kan fokuseres til et præcist sted med stor intensitet, kan der genereres nok varme af en lille pulserende laser til at fordampe forskellige materialer. Således anvendes lasere i forskellige materialefjernelsesprocesser, herunder bearbejdning. For eksempel bruges rubinlasere til at bore huller i diamanter til trådtrækningsdyser og i safirer til urlejer.
historie
konceptet bag lasere blev først foreslået af Albert Einstein, der viste, at lys består af masseløse partikler kaldet fotoner. Hver foton har en energi, der svarer til bølgefrekvensen. Jo højere frekvensen er, desto større er energien, der bæres af bølgerne. Einstein og en anden videnskabsmand ved navn S. N. Bose udviklede derefter teorien for fænomenet, hvor fotoner har tendens til at rejse sammen. Dette er princippet bag laseren.
laserhandling blev først demonstreret i mikrobølgeområdet i 1954 af Nobelprisvinderen Charles Byes og kolleger. De projicerede en stråle af ammoniakmolekyler gennem et system med fokuseringselektroder. Når mikrobølgeffekt med passende frekvens blev ført gennem hulrummet, opstod amplifikation, og udtrykket mikrobølgeforstærkning ved stimuleret emission af stråling (M. A. S. E. R.) blev født. Udtrykket laser blev først opfundet i 1957 af fysikeren Gordon Gould.
et år senere arbejdede han med Arthur og de to foreslog laseren, der modtog et patent i 1960. Samme år opfandt Theodore Maiman, en fysiker ved Hughes Research Laboratories, den første praktiske laser. Denne laser var en solid state type, ved hjælp af en lyserød rubinkrystal omgivet af et flashrør indesluttet i et poleret aluminium cylindrisk hulrum afkølet af tvungen luft. Rubincylinderen blev poleret i begge ender for at være parallel med inden for en tredjedel af en bølgelængde af lys. Hver ende blev belagt med fordampet sølv. Denne laser drives i pulserende tilstand. To år senere blev der lavet en kontinuerlig rubinlaser ved at udskifte flashlampen med en buelampe.
efter Maimans laser blev demonstreret med succes, forsøgte andre forskere en række andre substrater og sjældne jordarter, herunder erbium, neodym og endda uran. Yttrium aluminium granat, glas og calciumfluoridsubstrater blev testet. Udviklingen af kraftige laserdioder (en enhed, der danner en sammenhængende lysudgang ved hjælp af elektroder eller halvledere) i 1980 ‘ erne førte til All-solid state lasere i kontinuerlig bølge regime, der var mere effektive, kompakte og pålidelige. Diodeteknologien blev forbedret i løbet af 1990 ‘ erne og øgede til sidst outputkræfterne for solid state-lasere til multikiloattt-niveauet.
Nd:YAG-og rubinlasere bruges nu i mange industrielle, videnskabelige og medicinske anvendelser sammen med andre faststoflasere, der bruger forskellige typer krystaller. Nd: YAG-lasere bruges også til overvågning af forurening, svejsning og andre anvendelser. Denne type krystal er den mest anvendte—mere end to tredjedele af de dyrkede krystaller er denne type. Andre krystaller, der dyrkes, inkluderer Nd: YVO4 (yttrium orthovanadate), Nd:glassog er:YAG.
råmaterialer
optiske, mekaniske og elektroniske komponenter fremstillet af forskellige materialer (krystaller, metaller, halvledere osv.) leveres normalt af andre producenter. Outsourcing varierer fra laserproducent til producent. En solid state laser består af to hovedkomponenter, eller “kasser.”Den ene komponent indeholder optikken (lasing krystal og spejle), og den anden indeholder elektronikken (strømforsyning, interne kontroller). Nogle gange er disse to komponenter integreret i en boks.
Design
designet af laserhulrummet bestemmes af applikationen. Typisk udvikler forsknings-og udviklingsgruppen designet. Dette design bestemmer driftsegenskaberne, herunder strøm, bølgelængde og andre stråleegenskaber. Designerne inkorporerer også sikkerhedsfunktioner som krævet af Food and Drug Administration(FDA).
fremstillingsprocessen
-
1 normalt fremstilles alle eller de fleste komponenter andetsteds. For eksempel, krystal avlere giver lasing materiale. At vokse en Nd:YAG-krystal, en højrenhedsuldpulverforbindelse af de ønskede elementer anbringes i en smeltedigel og smeltes i en radiofrekvensovn ved høje temperaturer. En frøkrystal bringes derefter i kontakt med væskeoverfladen. Når frøkrystallen langsomt løftes, roteres og afkøles let, fremkommer en enkelt krystal med den ønskede sammensætning med en hastighed på ca.0,02 in (0,5 mm) pr.
typisk Nd:YAG-krystaller spænder fra 2,4-3,1 tommer (60-80 mm) i diameter med 6,9-8,9 tommer (175-225 mm) i længden. Stænger, skiver og plader i forskellige geometrier ekstraheres fra den dyrkede krystal, derefter fremstillet, poleret og belagt efter kundens specifikationer. Færdige produkter spænder fra stænger så små som 0,02 in (0,5 mm) i diameter med I in (25 mm)
en faststoflaser består af et hulrum med plane eller sfæriske spejle i hver ende, der er fyldt med en krystal, hvis atomer er stift bundet. Efter at lyset er pumpet ind i det af enten en lampe eller en anden laser, producerer krystallen lys, der hopper mellem spejle, øger intensiteten og producerer et meget stærkt lys.lange til pladegeometrier så store som 0,3 * 1,5 tommer (8 * 37 mm) i tværsnit med 9,2 tommer (235 mm) lange. Den mest almindelige Nd: YAG stanggeometri er en højre cirkulær cylinder.
samling
- 2 når laseren er designet og komponenterne modtaget, er optikken integreret med de mekaniske komponenter. En tekniker følger en plan, placerer de optiske komponenter i de ønskede positioner ved hjælp af metalholdere eller monteringsanordninger. Denne procedure udføres i et rent rummiljø for at undgå forurening af de optiske komponenter.
tilpasning
- 3 Dernæst er lasing hulrum justeret, så det fungerer på de ønskede specifikationer. Dette udføres på et testbord af en anden tekniker ved hjælp af en anden laser til at hjælpe med justeringen.
afsluttende test
- 4 før du sender laseren til kunden, gennemgår den et trin kaldet end testing, som grundlæggende kontrollerer laseren for korrekt drift, herunder udgangseffekt, strålekvalitet og andre egenskaber. Laseren betjenes i et antal timer for at sikre, at den passerer inspektion.
kvalitetskontrol
de fleste laserproducenter følger internationale kvalitetsstandarder, der giver feedback-sløjfer gennem hele fremstillingsprocessen. Laseren gennemgår også flere større testprocedurer som tidligere beskrevet.
alle laserenheder, der distribueres i USA, skal certificeres som værende i overensstemmelse med federal laser product performance standard og rapporteres til Center for Devices and Radiological Health (CDRH) Office of Compliance inden distribution til slutbrugere. Denne ydelsesstandard specificerer de sikkerhedsfunktioner og mærkning, som alle lasere skal have for at give brugerne tilstrækkelig sikkerhed. Hver laser skal certificeres, at den overholder standarden, inden den introduceres på markedet. Certificering betyder, at hver enhed har bestået en kvalitetssikringstest, der overholder ydelsesstandarden. De, der certificerer lasere, påtager sig ansvaret for rapportering og anmeldelse af eventuelle problemer med laseren.
biprodukter/affald
da leverandører af de forskellige komponenter normalt følger de samlede kvalitetsstyringsprocedurer, tester laserproducenten ikke komponenterne for defekter, og der er lidt affald. Hvis der findes defekte komponenter, sendes de nogle gange tilbage til producenten.
fremtiden
Solid state-lasere er designet, der har højere effekt, er hurtigere, har kortere bølgelængder og bedre strålekvalitet, hvilket vil udvide deres applikationer. For eksempel udvikles lasermaterialer, der vil være i stand til at presse mange milliarder pulser ind i et sekund, hvilket resulterer i femtosekundlasere, der leverer snesevis af pulser i hvert nanosekund. Solid state-lasere, der kan levere strøm på teravatt-eller petavatt-niveauet, testes også for at producere nukleare reaktioner med potentialet til at blive brugt i nuklearmedicinske applikationer såsom CAT-scanning. Nd: YAG-lasere udvides til elektronikindustrien til boring, lodning og trimning af applikationer. Lasing krystaller fortsat gøres til at vare længere.
verdensmarkedet for lasersystemer forventes at stige fra 4,7 milliarder dollars i 2000 til 8 milliarder dollars i 2005, hvor solid state-lasermarkedet når over 1,1 milliarder dollars sammenlignet med 4,6 milliarder dollars for diodelasere. Solid state lasere erstatter farvestof, ion og HeNe typen lasere på visse markeder. Andre analytikere forudsiger, at flashlamp-pumpede solid state-lasere vil vokse til $660 millioner og diodepumpede solid state-lasere til $ 312 millioner i 2003. Sidstnævnte type laser vil blive mere populær til sådanne industrielle applikationer som generel mærkning og materialebehandling, da omkostningerne falder ned og højere kræfter bliver tilgængelige. Disse lasere er også designet med minimal vedligeholdelse.
Hvor kan man lære mere
bøger
Ambroseo, John. “Lasere: forståelse af det grundlæggende.”I Photonics Design and Applications Handbook 2000. Pittsfield, MA: Laurin Publishing, 2000.
Craig, Bruce og Mark Keirstead. “Diode-Pumpede Lasere: Store Valg, Lille Pakke.”I Photonics Design and Applications Handbook 2000. Pittsfield, MA: Laurin Publishing, 2000.
Fotonikordbogen, 4.internationale udgave. Pittsfield, MA: Laurin Publishing, 2000.
Teppo, Edvard. “Nd: YAG lasere: stående tidstesten.”I Photonics Design and Applications Handbook 2000. Pittsfield, MA: Laurin Publishing, 2000.
Tidsskrifter
Hånd, Aaron. “Lasere klemmer sig ind i strammere pladesamlinger.”Photonics Spectra (juli 1999): 96-101
“lasere og lyskilder: fremstilling af fotoner.”Photonics Spectra (Januar 2000): 90-94.
Moody, Stephen. “Fra jord til rum tager lasere forurening.”Photonics Spectra (Oktober 1999): 96-103.
Smith, James. “Lasere Fortsætter På Tværs Af Nuklear Fissionstærskel.”Photonics Spectra (April 2000): 42.
Steinmeyer, G., et al. “Ultrahurtige Lasere.”Photonics Spectra (Februar 2000): 100-104.
— Laurel M. Sheppard