Có bao nhiêu máy phát laser? (Phần 1)

Theo phân tích nguyên lýthế hệ laser, người ta biết rằng tia laser chịu tác dụng của "nguồn kích thích", số lượng electron cấp cao của nguyên tử tăng lên và chuyển sang mức thấp sau khi tồn tại trong một thời gian rất ngắn và tia laser được phát ra đồng thời. Không khó để biết rằng phải có rất nhiều, rất nhiều nguyên tử vật chất có thể phát ra ánh sáng laser dưới tác dụng của “nguồn kích thích”.

Nói một cách đại khái, để tạo ra một máy phát laser cần có 4 yếu tố:

① Chọn môi trường làm việc để tạo ra tia laser. Nó có thể là chất khí, chất lỏng, chất rắn hoặc chất bán dẫn, miễn là có thể đạt được sự đảo ngược quần thể hạt trong môi trường thì có thể thu được tia laser.

② Điều quan trọng là phải chọn “động lực”. "Nguồn kích thích" làm cho các electron cấp thấp của môi trường chuyển đổi hiệu quả sang mức cao, đạt được cái gọi là đảo ngược số electron. Phương pháp phóng điện trong khí có thể dùng các electron có động năng để kích thích các nguyên tử điện môi, gọi là kích thích điện; Nguồn ánh sáng xung cũng có thể được sử dụng để chiếu xạ môi trường làm việc, được gọi là kích thích ánh sáng; Có những kích thích nhiệt, và những kích thích hóa học, v.v. Các chế độ kích thích khác nhau được hình dung dưới dạng bơm hoặc bơm. Mục đích của việc "bơm" là làm cho số lượng hạt ở mức năng lượng cao nhiều hơn mức năng lượng thấp.

③ Việc xây dựng một bộ cộng hưởng cũng rất quan trọng. Do cường độ tia laser do "máy bơm" tạo ra rất yếu và không thể áp dụng trong thực tế, nên tia laser yếu cần được cộng hưởng với tia laser, để tia laser đầu ra được tăng cường để đạt được mức độ ứng dụng thực tế.

④ Laser năng lượng cao cần có hệ thống làm mát. Do ánh sáng mạnh bên trong bộ cộng hưởng nên bộ cộng hưởng cần được làm mát.

Theo môi trường làm việc của laser, có laser rắn, laser khí, laser bán dẫn, laser hóa học và hiện nay có "laser gốm trong suốt".

Theo chế độ đầu ra của laser, có laser xung và laser liên tục.

Các chỉ số hiệu suất của laser chủ yếu tập trung ở các khía cạnh sau: Thứ nhất, dải tần của chùm tia laser, vì laser có thể làm "nguồn kích thích", nhưng cũng có thể làm nguồn sáng phân tích quang phổ, vì vậy cần phải biết quang phổ của tia laser; Thứ hai là công suất của chùm tia laser, đặc biệt là công suất tối đa vì kích thước công suất mô tả phạm vi ứng dụng của tia laser; Thứ ba là vùng chiếu xạ của nồng độ năng lượng chùm tia laser, vì vùng chiếu xạ khác nhau trong các ứng dụng khác nhau.

Ⅰ. Laser trạng thái rắn

Laser có thể được chế tạo từ nhiều vật liệu rắn. Đặc biệt, bằng phương pháp tổng hợp, trong quá trình chế tạo gốm sứ, bạn có thể tạo ra các tinh thể chứa các thành phần khác nhau, gọi là “môi trường laser gốm trong suốt”, hiện nay, tia laser chế tạo bằng tinh thể nhân tạo rất tiện lợi và thiết thực. Dưới đây là ba loại laser trạng thái rắn phổ biến.

1. Laser hồng ngọc

Laser đầu tiên là laser ruby. Vào tháng 7 năm 1960, Maiman đã chế tạo thành công tia laser hồng ngọc đầu tiên trên thế giới, ông chiếu một tia sáng vào tinh thể hồng ngọc, tạo ra chùm tia laser xung kết hợp, gây chấn động thế giới và gây ra sự bùng nổ trong sự phát triển của tia laser.

Phân tích cho thấy ruby ​​​​là một tinh thể và ma trận của nó là Al2O3(nhôm oxit), chứa 0.03-0,4 phần trăm (tỷ lệ trọng lượng) của Cr2O3 (crom trioxide), vì vậy bạn có thể nhấn những vật liệu này tạo thành bột, thiêu kết chân không, bạn có thể sản xuất tinh thể hồng ngọc nhân tạo, với hiệu suất laser sản xuất thanh hồng ngọc nhân tạo vượt trội, được sử dụng rộng rãi. Loại môi trường laser này cũng đã được nghiên cứu đầy đủ; Đặc biệt, “nguồn bơm” sử dụng đèn xenon xung mạnh; Bộ cộng hưởng vẫn là cách cũ, ở hai đầu của tia laser, đối diện nhau bằng hai gương có độ phản xạ cao, một cái sẽ phản xạ gần như hoàn toàn tia laser ra môi trường làm việc để tham gia cộng hưởng, cái còn lại sẽ phản xạ lại phần lớn ánh sáng. đến sự cộng hưởng, và cho một lượng nhỏ tia laser phát ra qua gương, phát ra là tia laser mạnh, được sử dụng cho tia laser thực tế.

Giờ đây, năng lượng đầu ra của laser ruby ​​có thể được tạo ra ở nhiều mức độ khác nhau, lên tới hàng nghìn joules.

2. Laser tinh thể ngọc hồng lựu yttrium nhôm pha tạp neodymium

Tinh thể garnet nhôm yttrium pha tạp neodymium được cấu tạo từ yttri (Y2O3) và nhôm (Al2O3) theo tỷ lệ kết hợp 3:5 (Nd2O3), ép khuôn, thiêu kết tinh thể trong chân không ở 1700 độ, thường được sử dụng trong hồng ngoại gần và xa laser trạng thái rắn, hiệu suất vượt trội. Đèn krypton liên tục hoặc đèn iodua vonfram được sử dụng làm nguồn sáng bơm, vừa khớp với dải hấp thụ của ion Nd hóa trị 3-. Laser garnet nhôm yttri pha tạp neodymium có thể có công suất hàng chục đến hàng trăm watt và cũng có thể tạo ra công suất cao.

3. Laser thủy tinh Nd

Neodymium được tích hợp vào thủy tinh silicat có độ tinh khiết cao làm chất nền, và thủy tinh neodymium này được sử dụng để chế tạo tia laser, Phosphate cũng được sử dụng làm chất nền để kết hợp neodymium.

Laser thủy tinh neodymium hoạt động tương tự như laser tinh thể ở trên.

Laser thủy tinh neodymium công suất thấp được sử dụng hiệu quả cho truyền thông sợi quang và hai công nghệ quan trọng nhất để phát triển truyền thông sợi quang là điều chế tín hiệu quang bằng laser bán dẫn và sử dụng laser thủy tinh neodymium làm Bộ lặp (xem khoa học phổ biến loạt bài, số 61). Ánh sáng tín hiệu được khuếch đại bởi Bộ lặp và tín hiệu quang có thể được truyền qua khoảng cách xa.

Laser thủy tinh neodymium công suất cao cũng dễ chế tạo. Do tính đồng nhất quang học của thủy tinh neodymium tốt nên dễ dàng điều chế thành vật liệu có khối lượng lớn, dễ gia công hơn tinh thể và giá thành sản xuất thủy tinh neodymium rất thấp. Thể tích của thanh thủy tinh neodymium càng lớn thì năng lượng laser phát ra càng cao; Do đó, laser thủy tinh neodymium là loại laser trạng thái rắn được ưa chuộng trong thực tế, có thể có công suất thấp hoặc công suất cao.

Laser thủy tinh neodymium công suất cao đã được sử dụng trong các thí nghiệm tổng hợp hạt nhân. Năm 1974, Viện Máy quang học Thượng Hải đã phát triển thành công sáu hệ thống laser thủy tinh neodymium công suất cao ở mức nano giây là 100,000 megawatt, hệ thống này đã thực hiện thành công việc sử dụng tia laser để tạo ra plasma nhiệt độ cao và mật độ cao, có đóng góp lớn cho thiết bị "đánh lửa" phản ứng tổng hợp hạt nhân.

Thông tin liên lạc:

Nếu bạn có bất kỳ ý tưởng nào, vui lòng nói chuyện với chúng tôi. Bất kể khách hàng của chúng tôi ở đâu và yêu cầu của chúng tôi là gì, chúng tôi sẽ tuân theo mục tiêu của mình là cung cấp cho khách hàng chất lượng cao, giá thấp và dịch vụ tốt nhất.