Tausta
laser, joka on lyhenne sanoista Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, on laite, joka muuntaa sähkö-tai optisen energian valoksi. Sähkö-tai optista energiaa käytetään atomien tai molekyylien virittämiseen, jotka sitten lähettävät monokromaattista (yhden aallonpituuden) valoa. Laser koostuu onkalosta, jonka päissä on taso tai pallomaisia peilejä ja joka on täytetty lasittavalla materiaalilla. Tämä materiaali voidaan virittää puolivakaaseen tilaan valon tai sähköpurkauksen avulla. Materiaali voi olla kristalli, lasi, neste, väriaine tai kaasu, kunhan se voidaan virittää tällä tavalla. Solid-state laser on sellainen, joka käyttää kristallia, jonka atomit ovat lujasti sitoutuneet, toisin kuin kaasu. Kide tuottaa laservaloa, kun siihen pumpataan valoa joko lampulla tai toisella laserilla.
yksinkertaisimmassa onkalossa on kaksi peiliä, joista toinen heijastaa kokonaan ja toinen heijastaa 50-99%. Valon pomppiessa peilien välillä voimakkuus kasvaa. Koska laservalo kulkee samaan suuntaan kuin voimakas säde, laser tuottaa hyvin kirkasta valoa. Lasersäteitä voidaan myös projisoida pitkille etäisyyksille, ja ne voidaan kohdistaa hyvin pieneen kohtaan.
peilityyppi määrää säteen tyypin. Hyvin kirkas, hyvin monokromaattinen ja koherentti säde syntyy, kun yksi peili lähettää vain 1-2% valosta. Jos käytetään tasopeilejä, palkki on hyvin kollimoitu (tehty rinnakkain). Palkki tulee ulos lähelle ontelon toista päätä, kun käytetään koveria peilejä. Säteen tyyppi ensimmäisessä tapauksessa tekee lasereista erittäin hyödyllisiä lääketieteessä, koska nämä ominaisuudet mahdollistavat lääkärin kohdistaa haluttuun alueeseen tarkemmin, välttäen ympäröivän kudoksen vaurioita.
yksi tapa virittää atomit korkeammalle energiatasolle on valaista laserainetta suuremmalla valolla kuin laservaloa. Nämä puolijohdelaserit, jotka tunnetaan myös optisena pumppauksena, käyttävät kiinteää kiteistä ainetta olevaa tankoa, jonka päät on kiillotettu tasaiseksi ja yhdensuuntaiseksi ja päällystetty peileillä laservalon heijastamiseksi. Ionit suspendoituvat kiteiseen matriisiin ja emittoivat jännittyessään elektroneja.
tangon sivut on jätetty kirkkaiksi pumppulampun valon vastaanottamiseksi, mikä voi olla vilkkuvaa valoa tuottavaa pulssikaasupurkausta. Ensimmäisessä kiinteän olomuodon laserissa käytettiin vaaleanpunaisesta rubiinista valmistettua sauvaa ja safiirista valmistettua keinotekoista kristallia. Kaksi yleistä solid state-laseria, joita käytetään nykyään, ovat Nd:YAG (neodyymi:yttrium aluminum garnet) ja ND:lasi. Molemmat käyttävät optiseen pumppaukseen krypton-tai Ksenon-salamavaloja. Loistavia valonvälähdyksiä voidaan saada jopa tuhansia watteja ja käyttöikä on lähellä 10 000 tuntia.
koska laservalo voidaan kohdistaa tarkkaan kohtaan, jonka voimakkuus on suuri, pienellä pulssilaserilla voidaan tuottaa tarpeeksi lämpöä höyrystämään eri materiaaleja. Niinpä lasereita käytetään erilaisissa materiaalinpoistoprosesseissa, kuten koneistuksessa. Esimerkiksi rubiinilasereita käytetään reikien poraamiseen timantteihin lankaviirumuotteja varten ja safiireihin kellolaakereita varten.
historia
laserien takana olevan käsitteen esitti ensimmäisenä Albert Einstein, joka osoitti, että valo koostuu massattomista hiukkasista, joita kutsutaan fotoneiksi. Jokaisen fotonin energia vastaa aaltojen taajuutta. Mitä korkeampi taajuus, sitä suurempi on aaltojen kuljettama energia. Tämän jälkeen Einstein ja toinen tiedemies S. N. Bose kehittivät teorian ilmiölle, jossa fotonit pyrkivät kulkemaan yhdessä. Tämä on periaate laserin takana.
Lasertoimintaa osoitti mikroaaltoalueella ensimmäisen kerran nobelisti Charles Townes työtovereineen vuonna 1954. He heijastivat ammoniakkimolekyylisäteen tarkentavien elektrodien läpi. Kun sopivan taajuinen mikroaaltoteho kulki ontelon läpi, tapahtui vahvistus ja syntyi termi mikroaaltovahvistus stimuloidulla säteilypäästöllä (M. A. S. E. R.). Termin laser keksi fyysikko Gordon Gould vuonna 1957.
vuotta myöhemmin Townes työskenteli Arthur Schawlow ’ n kanssa ja kaksikko ehdotti laseria saaden patentin vuonna 1960. Samana vuonna Hughes Research Laboratoriesin fyysikko Theodore Maiman keksi ensimmäisen käytännöllisen laserin. Tämä laser oli kiinteän olomuodon tyyppi, jossa käytettiin vaaleanpunaista rubiinikristallia, jota ympäröi salamaputki, joka oli suljettu pakotetulla ilmalla jäähdytettyyn kiillotettuun alumiinisylinteriseen onteloon. Rubiinisylinteri kiillotettiin molemmista päistä samansuuntaiseksi kuin kolmasosan valon aallonpituudesta. Kumpikin pää oli päällystetty haihtuneella hopealla. Tämä laser toimi pulssitilassa. Kaksi vuotta myöhemmin tehtiin jatkuva rubiinilaser korvaamalla salamavalo kaarilampulla.
kun Maimanin laser oli onnistuneesti osoitettu, muut tutkijat kokeilivat useita muita substraatteja ja harvinaisia maametalleja, kuten erbiumia, neodyymiä ja jopa uraania. Kokeiltiin yttriumalumiinigranaattia, lasia ja kalsiumfluoridisubstraatteja. Tehokkaiden laserdiodien (laite, joka muodostaa koherentin valotehon elektrodien tai puolijohteiden avulla) kehittäminen 1980-luvulla johti jatkuvatoimisen järjestelmän kaikkiin solid-state-lasereihin, jotka olivat tehokkaampia, kompaktimpia ja luotettavampia. Dioditekniikka parani 1990-luvulla, mikä lopulta nosti solid state-laserien lähtötehot monikilowattiselle tasolle.
Nd: YAG-ja ruby-lasereita käytetään nykyään monissa teollisissa, tieteellisissä ja lääketieteellisissä sovelluksissa, samoin kuin muita erityyppisiä kiteitä käyttäviä solid state-lasereita. Nd: YAG-lasereita käytetään myös saastumisen seurantaan, hitsaukseen ja muihin käyttötarkoituksiin. Tämä kidetyyppi on yleisimmin käytetty-yli kaksi kolmasosaa kasvatetuista kiteistä on tätä tyyppiä. Muita kasvatettavia kiteitä ovat Nd:YVO4 (yttriumortovanadaatti), ND:lasi ja Er:YAG.
raaka-aineet
Optiset, mekaaniset ja elektroniset komponentit, jotka on valmistettu erilaisista materiaaleista (kiteet, metallit, puolijohteet jne.) ovat yleensä muiden valmistajien toimittamia. Ulkoistaminen vaihtelee laservalmistajasta toiseen. Solid state laser koostuu kahdesta pääkomponentista eli ” laatikoista.”Yksi komponentti sisältää Optiikan (lasingkide ja Peilit) ja toinen sisältää elektroniikan (virtalähde, sisäinen valvonta). Joskus nämä kaksi komponenttia on integroitu yhteen laatikkoon.
suunnittelu
laserontelon rakenne määräytyy sovelluksen mukaan. Tyypillisesti tutkimus-ja kehitysryhmä kehittää suunnittelua. Tämä rakenne määrittää käyttöominaisuudet, mukaan lukien teho, aallonpituus ja muut säteen ominaisuudet. Suunnittelijat sisältävät myös turvallisuusominaisuuksia, joita Food and Drug Administration(FDA) vaatii.
valmistusprosessi
-
1 yleensä kaikki tai suurin osa komponenteista valmistetaan muualla. Esimerkiksi kideviljelijät tarjoavat lasitusainesta. Kasvaa ja kasvaa:YAG-kide, erittäin puhdas oksidijauheyhdiste halutuista elementeistä, sijoitetaan upokkaaseen ja sulatetaan radiotaajuusuunissa korkeissa lämpötiloissa. Siemenkide joutuu kosketuksiin nestepinnan kanssa. Kun siemenkide nostetaan hitaasti, pyöritetään ja jäähdytetään hieman, syntyy yhden Kiteen halutun koostumuksen nopeudella noin 0,02 in (0,5 mm) tunnissa.
tyypillinen Nd: YAG-kiteet vaihtelevat läpimitaltaan 2,4-3,1 in (60-80 mm) ja pituudeltaan 6,9-8,9 in (175-225 mm). Tangot, kiekot ja laatat eri geometriat uutetaan kasvanut kristalli, sitten valmistettu, kiillotettu, ja päällystetty asiakkaan vaatimukset. Valmiit tuotteet vaihtelevat tangot niin pieni kuin 0,02 in (0,5 mm) halkaisijaltaan I in (25 mm)
solid-state-laser koostuu onkalosta, jonka kummassakin päässä on taso-tai pallopeilejä ja joka on täytetty Kiteellä, jonka atomit ovat lujasti sitoutuneet toisiinsa. Kun siihen on pumpattu valoa joko lampulla tai muulla laserilla, kide tuottaa valoa, joka pomppii peilien välistä, voimistuen ja tuottaen hyvin kirkkaan valon.pitkistä laatoihin ulottuvia geometrioita, jotka ovat poikkileikkaukseltaan jopa 0, 3 x 1, 5 in (8 x 37 mm), 9, 2 in (235 mm) pituisia. Yleisin Nd: YAG-sauvageometria on oikea pyöreä sylinteri.
Assembly
- 2 kun laser on suunniteltu ja komponentit vastaanotettu, optiikka integroidaan mekaanisiin komponentteihin. Teknikko seuraa piirustusta ja asettaa optiset komponentit haluttuihin asentoihin käyttäen metallitelineitä tai kiinnityslaitteita. Tämä menettely suoritetaan puhtaassa huoneessa, jotta vältetään optisten komponenttien kontaminaatio.
tasaus
- 3 Seuraavaksi lasing onkalo on kohdistettu, joten se toimii halutuilla määrityksillä. Toinen teknikko suorittaa tämän testipöydällä käyttäen toista laseria apuna kohdistuksessa.
Lopputestaus
- 4 ennen laserin lähettämistä asiakkaalle se käy läpi vaiheen, jota kutsutaan lopputestaukseksi, joka periaatteessa tarkistaa laserin asianmukaisen toiminnan, mukaan lukien lähtöteho, säteen laatu ja muut ominaisuudet. Laseria käytetään useita tunteja sen varmistamiseksi, että se läpäisee tarkastuksen.
laadunvalvonta
useimmat laservalmistajat noudattavat kansainvälisiä laatustandardeja, jotka antavat takaisinkytkennät koko valmistusprosessin ajan. Laser käy läpi myös useita suuria testausmenetelmiä, kuten aiemmin on kuvattu.
kaikki Yhdysvalloissa jaettavat laserlaitteet on sertifioitava federal laser product performance standard-standardin mukaisiksi ja raportoitava Center for Devices and Radiological Health (CDRH) Office of Compliance-virastolle ennen jakelua loppukäyttäjille. Tämä suorituskykystandardi määrittelee turvaominaisuudet ja merkinnät, jotka kaikilla lasereilla on oltava, jotta käyttäjille voidaan tarjota riittävä turvallisuus. Jokaisen laserin on oltava sertifioitu standardin mukaiseksi ennen sen tuomista markkinoille. Sertifiointi tarkoittaa, että jokainen yksikkö on läpäissyt suoritusarvostandardin mukaisen laadunvarmistustestin. Ne, jotka sertifioivat laserit, ovat vastuussa kaikista laseriin liittyvistä ongelmista ilmoittamisesta ja ilmoittamisesta.
sivutuotteet / jätteet
koska eri komponenttien toimittajat noudattavat yleensä laadunhallintamenettelyjä, laservalmistaja ei testaa komponentteja vikojen varalta ja jätettä on vähän. Jos viallisia osia löytyy, ne lähetetään joskus takaisin valmistajalle.
tulevaisuudessa
suunnitellaan Solid state-lasereita, joilla on suurempi teho, jotka ovat nopeampia, joilla on lyhyemmät aallonpituudet ja parempi säteen laatu, mikä laajentaa niiden sovelluksia. Esimerkiksi lasing-materiaaleja kehitetään, jotka pystyvät puristamaan miljardeja pulsseja yhteen sekuntiin, jolloin femtosekuntilaserit tuottavat kymmeniä pulsseja jokaisessa nanosekunnissa. Solid state-lasereita, jotka voivat tuottaa energiaa terawattitasolla tai petawattitasolla, testataan myös ydinreaktioiden tuottamiseksi, ja niitä voidaan mahdollisesti käyttää isotooppilääketieteen sovelluksissa, kuten CAT-skannauksessa. Nd: YAG-laserit laajenevat elektroniikkateollisuuteen poraus -, juotos-ja leikkauskohteisiin. Lasing kiteet edelleen tehdä kestämään pidempään.
maailman laserjärjestelmämarkkinoiden odotetaan kasvavan 4,7 miljardista dollarista vuonna 2000 8 miljardiin dollariin vuonna 2005, solid state-lasermarkkinoiden yltäessä yli 1,1 miljardiin dollariin, kun diodi-laserien hinta oli 4,6 miljardia dollaria. Solid state-laserit korvaavat väriaine -, ioni-ja HeNe-tyyppiset laserit tietyillä markkinoilla. Toiset analyytikot ennustavat flashlamp-pumpattujen solid state-laserien kasvavan 660 miljoonaan dollariin ja diodilla pumpattujen solid state-laserien 312 miljoonaan dollariin vuoteen 2003 mennessä. Jälkimmäinen Lasertyyppi tulee suositummaksi sellaisissa teollisissa sovelluksissa kuin yleiskäyttöisissä merkinnöissä ja materiaalinkäsittelyssä, kun kustannukset laskevat ja suuremmat tehot tulevat saataville. Nämä laserit on myös suunniteltu mahdollisimman vähän huoltoa.
mistä oppia lisää
Kirjat
Ambroseo, John. ”Laserit: perusasioiden ymmärtäminen.”Teoksessa Photonics Design and Applications Handbook 2000. Pittsfield, MA: Laurin Publishing, 2000.
Craig, Bruce ja Mark Keirstead. ”Diodi-Pumpatut Laserit: Suuret Valinnat, Pieni Paketti.”Teoksessa Photonics Design and Applications Handbook 2000. Pittsfield, MA: Laurin Publishing, 2000.
The Photonics Dictionary, 4. kansainvälinen painos. Pittsfield, MA: Laurin Publishing, 2000.
Teppo, Edvard. ”Nd: YAG Lasers: Standing the Test of Time.”Teoksessa Photonics Design and Applications Handbook 2000. Pittsfield, MA: Laurin Publishing, 2000.
Aikakausjulkaisut
Hand, Aaron. ”Laserit ahtautuvat tiukempiin Lautakokonaisuuksiin. Fotoniikan spektri (heinäkuu 1999): 96-101
”laserit ja valonlähteet: fotonien valmistus.”Photonics Spectra (Tammikuu 2000): 90-94.
Moody, Stephen. ”Maasta avaruuteen laserit ottavat vastaan saasteita.”Photonics Spectra (Lokakuu 1999): 96-103.
Smith, James. ”Laserit Jatkuvat Ydinfissiokynnyksen Yli.”Photonics Spectra (Huhtikuu 2000): 42.
Steinmeyer, G., et al. ”Ultranopeat Laserit.”Photonics Spectra (Helmikuu 2000): 100-104.
— Laurel M. Sheppard