Công nghệ laser đã đi vào cuộc sống của con người từ mọi phương diện, nhưng có rất nhiều loại máy phát laser, mỗi loại có bước sóng và đặc điểm khác nhau, vì vậy lĩnh vực ứng dụng cũng khác nhau. Tôi tin rằng hầu hết mọi người đều cảm thấy hơi đau đầu khi đối mặt với các loại máy phát laser phức tạp. Do đó, bài viết này tóm tắt và giải thích các tính năng và ứng dụng thực tế của các loại máy phát laser khác nhau từng loại một.
Theo môi trường làm việc khác nhau, máy phát laser được chia thành 6 loại: máy phát laser trạng thái rắn, khí, thuốc nhuộm, Diode, sợi quang và electron tự do. Trong số đó, có nhiều phân loại laser trạng thái rắn và laser khí. Ngoại trừ laser electron tự do, các nguyên lý hoạt động cơ bản của nhiều loại laser đều giống nhau, bao gồm nguồn bơm, bộ cộng hưởng quang và môi trường khuếch đại.
Máy phát laser thể rắn
Trong máy phát laser thể rắn, ánh sáng thường được sử dụng làm nguồn bơm và tinh thể hoặc thủy tinh có thể tạo ra ánh sáng được gọi là vật liệu làm việc. Vật liệu bao gồm một ma trận và một ion hoạt hóa. Vật liệu ma trận cung cấp sự tồn tại và môi trường làm việc phù hợp cho ion hoạt hóa và ion hoạt hóa hoàn thành quá trình tạo laser. Các ion hoạt động thường được sử dụng chủ yếu là các ion kim loại chuyển tiếp, chẳng hạn như crom, coban, niken và các ion khác và các ion kim loại đất hiếm, chẳng hạn như các ion neodymium. Các gương được phủ màng điện môi được sử dụng làm gương cộng hưởng, một trong số đó là gương toàn phần và gương còn lại là gương nửa. Khi sử dụng các ion hoạt hóa khác nhau, các vật liệu ma trận khác nhau và các bước sóng kích thích ánh sáng khác nhau, các tia laser khác nhau có bước sóng khác nhau sẽ được phát ra.
Bước sóng laser đầu ra của máy phát laser ruby là 694.3nm và tỷ lệ chuyển đổi quang điện thấp, chỉ 0.1%. Tuy nhiên, tuổi thọ huỳnh quang của nó dài, có lợi cho việc lưu trữ năng lượng và nó có thể tạo ra công suất đỉnh xung cao. Tia laser được tạo ra bởi một thanh ruby có độ dày bằng lõi bút và ngón tay dài có thể dễ dàng xuyên qua tấm sắt. Trước khi xuất hiện các hệ thống laser YAG hiệu quả hơn, các hệ thống laser ruby đã được sử dụng rộng rãi trong cắt laser và khoan. Ngoài ra, ánh sáng 694nm dễ bị melanin hấp thụ nên tia laser ruby cũng được sử dụng để điều trị các tổn thương sắc tố (đốm da).
Do đặc tính tinh thể của nó, máy phát laser Ti:Sapphire có phạm vi điều chỉnh rộng (tức là phạm vi bước sóng có thể điều chỉnh) và có thể phát ra ánh sáng có bước sóng 660nm-1200nm khi cần. Kết hợp với sự trưởng thành của công nghệ nhân đôi tần số (có thể nhân đôi tần số ánh sáng, tức là giảm một nửa bước sóng), phạm vi bước sóng có thể được mở rộng đến 330nm-600nm. Hệ thống laser sapphire titan được sử dụng trong quang phổ femto2nd, nghiên cứu quang học phi tuyến tính, tạo ra ánh sáng trắng, tạo ra sóng terahertz, v.v. và cũng có ứng dụng trong thẩm mỹ y tế.
YAG là viết tắt của yttrium aluminum garnet, là ma trận tinh thể laser tuyệt vời nhất hiện nay. Sau khi được pha tạp neodymium (Nd), nó có thể tạo ra 1064nm ánh sáng, và công suất đầu ra liên tục tối đa có thể đạt tới 1000w. Vào những ngày đầu, đèn flash khí trơ được sử dụng làm nguồn bơm, nhưng phương pháp bơm đèn flash có dải quang phổ rộng, sự trùng hợp kém với phổ hấp thụ của môi trường khuếch đại và tải nhiệt lớn, dẫn đến tỷ lệ chuyển đổi quang điện thấp. Vì vậy, hiện nay sử dụng bơm LD (Laser Diode), có thể đạt được hiệu suất cao, công suất cao và tuổi thọ cao. Máy phát laser Nd: YAG có thể được sử dụng trong điều trị u máu và ức chế sự phát triển của khối u. Tuy nhiên, tổn thương nhiệt đối với mô là không chọn lọc. Trong khi đông tụ các mạch máu của khối u, năng lượng dư thừa cũng sẽ làm hỏng các mô bình thường xung quanh và dễ để lại sẹo sau phẫu thuật. Do đó, laser Nd: YAG chủ yếu được sử dụng trong phẫu thuật, phụ khoa, tai mũi họng và ít hơn trong da liễu.
Yb: YAG, Ytterbium (Yb) được pha tạp vào YAG, có thể phát ra ánh sáng 1030nm. Bước sóng bơm của Yb:YAG là 941nm, rất gần với bước sóng đầu ra, có thể đạt hiệu suất lượng tử bơm là 91.4% và nhiệt sinh ra do bơm được ngăn chặn trong 10% (phần lớn năng lượng đầu vào được chuyển thành năng lượng đầu ra, một phần nhỏ trong số đó trở thành nhiệt, có nghĩa là hiệu suất chuyển đổi rất cao), là 25% 30% của Nd:YAG. Yb:YAG đã trở thành một trong những phương tiện laser trạng thái rắn hấp dẫn nhất và máy phát laser trạng thái rắn Yb:YAG công suất cao được bơm bằng LD đã trở thành điểm nóng nghiên cứu mới và được coi là một trong những hướng phát triển chính của máy phát laser trạng thái rắn hiệu suất cao, công suất cao.
Ngoài hai loại trên, YAG cũng có thể được pha tạp với holmium (Ho), erbium (Er), v.v. Ho:YAG tạo ra tia laser 2097nm và 2091nm an toàn cho mắt, chủ yếu dùng cho các ứng dụng truyền thông quang học, radar và y tế. Er:YAG phát ra ánh sáng có bước sóng 2.9 μm, cơ thể con người có tỷ lệ hấp thụ bước sóng này cao, có tiềm năng ứng dụng lớn cho phẫu thuật laser và phẫu thuật mạch máu.
Máy phát laser khí
Máy phát laser khí là hệ thống laser sử dụng khí làm môi trường khuếch đại, thường bơm khí thải. Các loại khí bao gồm khí nguyên tử (heli-neon, ion khí hiếm và hơi kim loại), khí phân tử (nitơ và carbon dioxide), khí excimer và được cung cấp bởi các phản ứng hóa học.
Máy phát laser HeNe (HeNe) sử dụng hỗn hợp 75% hoặc nhiều hơn He và 15% hoặc ít hơn Ne làm môi trường khuếch đại. Tùy thuộc vào môi trường làm việc, nó có thể phát ra màu xanh lá cây (543.5nm), vàng (594.1nm), cam (612.0nm), đỏ (632.8nm) và 3 loại ánh sáng cận hồng ngoại (1152nm, 1523nm và 3391nm), trong đó ánh sáng đỏ (632.8nm) là loại được sử dụng phổ biến nhất. Đầu ra chùm tia của máy phát laser HeNe có phân phối chuẩn Gauss và chất lượng chùm tia rất ổn định. Mặc dù công suất không cao nhưng nó có hiệu suất tốt trong lĩnh vực đo lường chính xác.
Máy phát laser khí hiếm thông dụng là ion argon (Ar+) và ion krypton (Kr+). Tỷ lệ chuyển đổi năng lượng của nó có thể đạt tới 0.6%, và nó có thể liên tục và ổn định công suất đầu ra 30-50w trong thời gian dài, tuổi thọ của nó vượt quá 1000 giờ. Chủ yếu được sử dụng trong màn hình laser, quang phổ Raman, ảnh ba chiều, quang học phi tuyến tính và các lĩnh vực nghiên cứu khác, cũng như chẩn đoán y tế, tách màu in ấn, xử lý vật liệu đo lường và xử lý thông tin.
Máy phát laser hơi kim loại lấy hơi đồng làm ví dụ. Máy phát laser hơi đồng chủ yếu phát ra ánh sáng xanh lục (510.5nm) và ánh sáng vàng (578.2nm), có thể đạt công suất trung bình 100w và công suất cực đại 100kw. Lĩnh vực ứng dụng chính của nó là nguồn bơm của máy phát laser nhuộm. Ngoài ra, nó cũng có thể được sử dụng cho chụp ảnh flash tốc độ cao, TV chiếu màn hình lớn và xử lý vật liệu.
Máy phát laser phân tử nitơ sử dụng nitơ làm môi trường khuếch đại, có thể phát ra tia cực tím 337.1 nm, 357.7 nm và 315.9 nm, công suất cực đại có thể đạt tới 45kw. Nó có thể được sử dụng làm nguồn sáng bơm cho máy phát laser nhuộm hữu cơ và cũng được sử dụng rộng rãi trong tách laser đồng vị, chẩn đoán huỳnh quang, chụp ảnh tốc độ cực cao, phát hiện ô nhiễm, y tế và chăm sóc sức khỏe, và chăn nuôi nông nghiệp. Vì bước sóng ngắn của nó dễ tập trung hơn để có được một điểm nhỏ, nên nó cũng có thể được sử dụng để xử lý các thành phần dưới micron.
Môi trường khuếch đại được sử dụng trong CO2 máy phát laser là carbon dioxide trộn với heli và nitơ, có thể phát ra ánh sáng hồng ngoại xa tập trung ở bước sóng 9.6 μm và 10.6 μm. Máy phát có tỷ lệ chuyển đổi năng lượng cao, công suất đầu ra có thể dao động từ vài watt đến hàng chục nghìn watt và chất lượng chùm tia cực cao làm cho CO2 máy phát laser được sử dụng rộng rãi trong chế biến vật liệu, nghiên cứu khoa học, quốc phòng và y học. Bạn sẽ gặp nhiều CO2 máy cắt laser và máy khắc laser để khắc và cắt gỗ, MDF, ván ép, vải, da, thủy tinh, nhựa và acrylic trong cuộc sống và kinh doanh hàng ngày của bạn.
Excimer là các phân tử không ổn định được chứa hỗn hợp các khí hiếm và khí halogen khác nhau trong bộ cộng hưởng để tạo ra các tia laser có bước sóng khác nhau. Sự kích thích thường đạt được bằng các chùm electron tương đối tính (năng lượng lớn hơn 200 keV) hoặc bằng các xung phóng điện nhanh ngang. Khi các liên kết phân tử không ổn định của excimer trạng thái kích thích bị phá vỡ và phân ly thành các nguyên tử trạng thái cơ bản, năng lượng của trạng thái kích thích được giải phóng dưới dạng bức xạ laser. Nó được sử dụng rộng rãi trong y tế, truyền thông quang học, màn hình bán dẫn, cảm biến từ xa, vũ khí laser và các lĩnh vực khác.
Máy phát laser hóa học là một loại hệ thống laser khí đặc biệt sử dụng năng lượng giải phóng từ phản ứng hóa học để thực hiện đảo ngược số hạt. Hầu hết chúng hoạt động ở chế độ chuyển đổi phân tử và phạm vi bước sóng điển hình nằm trong vùng quang phổ gần hồng ngoại đến hồng ngoại giữa. Các thiết bị quan trọng nhất là thiết bị hydro florua (HF) và deuterium florua (DF). Thiết bị trước có thể tạo ra hơn 15 vạch quang phổ giữa 2.6 và 3.3 micron; thiết bị sau có khoảng 25 vạch quang phổ giữa 3.5 và 4.2 micron. Cả hai thiết bị hiện nay đều có khả năng tạo ra công suất nhiều megawatt. Do có năng lượng lớn nên thiết bị này thường được sử dụng trong kỹ thuật hạt nhân và lĩnh vực quân sự.
Máy phát laser nhuộm
Máy phát laser nhuộm sử dụng thuốc nhuộm hữu cơ làm môi trường laser, thường là dung dịch lỏng. Máy phát laser nhuộm thường có thể được sử dụng trên phạm vi bước sóng rộng hơn so với môi trường laser khí và rắn. Băng thông rộng của chúng khiến chúng đặc biệt phù hợp với máy phát laser xung và có thể điều chỉnh. Tuy nhiên, do tuổi thọ môi trường ngắn và công suất đầu ra hạn chế, về cơ bản nó được thay thế bằng laser rắn có thể điều chỉnh bước sóng như titan sapphire.
Máy phát laser diode
Máy phát laser diode là hệ thống laser sử dụng vật liệu bán dẫn làm chất làm việc. Có 3 chế độ kích thích: phun điện, kích thích chùm electron và bơm quang. Kích thước nhỏ, giá thành thấp, hiệu suất cao, tuổi thọ cao, tiêu thụ điện năng thấp, có thể sử dụng trong thông tin điện tử, in laser, con trỏ laser, truyền thông quang học, TV laser, máy chiếu laser nhỏ, thông tin điện tử, quang học tích hợp và các lĩnh vực khác.
Máy phát laser sợi quang
Máy phát laser sợi quang là loại hệ thống laser sử dụng sợi thủy tinh pha tạp nguyên tố đất hiếm làm môi trường khuếch đại. Nó được sử dụng rộng rãi trong in kim loại và phi kim loại, đánh dấu, khắc, khoan, cắt, làm sạch, hàn (hàn đồng, làm nguội bằng nước, phủ và hàn sâu), quân sự, quốc phòng và an ninh, thiết bị y tế, cơ sở hạ tầng lớn và làm máy bơm cho các nguồn laser khác. Bạn sẽ gặp máy khắc laser sợi quang cho các văn bản và mẫu được cá nhân hóa, máy cắt laser sợi quang để chế tạo kim loại, máy làm sạch bằng laser sợi quang để loại bỏ rỉ sét, tẩy sơn và loại bỏ lớp phủ, máy hàn laser sợi quang cho các mối nối kim loại trong cuộc sống của bạn.
Máy phát laser electron miễn phí
Máy phát laser electron tự do là một loại nguồn bức xạ liên kết công suất cao mới khác với máy phát laser truyền thống. Nó không cần khí, lỏng hoặc rắn làm vật liệu làm việc, mà trực tiếp chuyển đổi động năng của chùm electron năng lượng cao thành năng lượng bức xạ liên kết. Do đó, cũng có thể coi rằng chất làm việc của máy phát laser electron tự do là electron tự do. Nó có một loạt các đặc điểm tuyệt vời như công suất cao, hiệu suất cao, phạm vi điều chỉnh bước sóng rộng và cấu trúc thời gian của các xung cực ngắn. Ngoại trừ nó, không có máy phát laser nào có thể có những tính năng này cùng một lúc. Nó có triển vọng đáng kể trong các lĩnh vực nghiên cứu vật lý, vũ khí laser, phản ứng tổng hợp laser, quang hóa học và truyền thông quang học.
