Solid State Laser

Achtergrond

Een laser, een acroniem voor Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, is een apparaat dat elektrische of optische energie omzet in licht. Elektrische of optische energie wordt gebruikt om atomen of moleculen te exciteren, die vervolgens monochromatisch (enkele golflengte) licht uitstralen. Een laser bestaat uit een holte, met aan de uiteinden vlakke of bolvormige spiegels, die is gevuld met lasbaar materiaal. Dit materiaal kan door licht of een elektrische ontlading tot een semi-stabiele toestand worden aangeslagen. Het materiaal kan een kristal, glas, vloeistof, kleurstof of gas zijn, zolang het maar op deze manier kan worden geëxciteerd. Een vastestoflaser is er een die een kristal gebruikt waarvan de atomen stevig zijn verbonden, in tegenstelling tot een gas. Het kristal produceert laserlicht nadat er licht in is gepompt door een lamp of een andere laser.

De eenvoudigste holte heeft twee spiegels, een die volledig reflecteert en een die tussen 50 en 99% reflecteert. Naarmate het licht tussen deze spiegels weerkaatst, neemt de intensiteit toe. Omdat het laserlicht in dezelfde richting beweegt als een intense straal, produceert de laser zeer helder licht. Laserstralen kunnen ook over grote afstanden worden geprojecteerd en op een heel klein plekje worden scherpgesteld.

Het type spiegel bepaalt het type bundel. Een zeer heldere, zeer monochromatische en coherente bundel wordt geproduceerd wanneer één spiegel slechts 1-2% van het licht doorlaat. Als vlakke spiegels worden gebruikt, is de bundel sterk gecollimeerd (parallel gemaakt). De straal komt uit in de buurt van een uiteinde van de holte wanneer holle spiegels worden gebruikt. Het type straal in het eerste geval maakt lasers zeer nuttig in de geneeskunde, omdat deze eigenschappen de arts in staat stellen om het gewenste gebied nauwkeuriger te richten, waardoor schade aan het omringende weefsel wordt vermeden.

Een manier om de atomen tot een hoger energieniveau te prikkelen, is door het lasermateriaal te verlichten met licht met een hogere frequentie dan het laserlicht. Deze lasers in vaste toestand, ook wel bekend als optisch pompen, gebruiken een staaf van vast kristallijn materiaal waarvan de uiteinden vlak en parallel zijn gepolijst en bedekt met spiegels om het laserlicht te reflecteren. Ionen zijn gesuspendeerd in de kristallijne matrix en zenden elektronen uit wanneer ze worden geëxciteerd.

De zijkanten van de staaf zijn vrij gelaten om het licht van de pomplamp door te laten, wat een gepulseerde gasontlading kan zijn die flitsend licht produceert. De eerste laser in vaste toestand gebruikte een staaf van roze robijn en een kunstmatig kristal van saffier. Twee veelgebruikte vaste-stoflasers die tegenwoordig worden gebruikt, zijn Nd:YAG (neodymium:yttriumaluminium-granaat) en Nd:glas. Beide gebruiken krypton- of xenon-flitslampen voor optisch pompen. Er kunnen schitterende lichtflitsen tot duizenden watts worden verkregen en de levensduur is bijna 10.000 uur.

Omdat laserlicht kan worden gefocusseerd op een precieze plek met een grote intensiteit, kan er voldoende warmte worden gegenereerd door een kleine gepulseerde laser om verschillende materialen te verdampen. Zo worden lasers gebruikt bij verschillende materiaalverwijderingsprocessen, waaronder machinale bewerking. Robijnlasers worden bijvoorbeeld gebruikt om gaten te boren in diamanten voor draadtrekmatrijzen en in saffieren voor horlogelagers.

Geschiedenis

Het concept achter lasers werd voor het eerst voorgesteld door Albert Einstein, die aantoonde dat licht bestaat uit massaloze deeltjes die fotonen worden genoemd. Elk foton heeft een energie die overeenkomt met de frequentie van de golven. Hoe hoger de frequentie, hoe groter de energie die door de golven wordt gedragen. Einstein en een andere wetenschapper genaamd S. N. Bose ontwikkelden vervolgens de theorie voor het fenomeen waarbij fotonen de neiging hebben om samen te reizen. Dit is het principe achter de laser.

Laseractie werd voor het eerst gedemonstreerd in het microgolfgebied in 1954 door Nobelprijswinnaar Charles Townes en collega's. Ze projecteerden een bundel ammoniakmoleculen door een systeem van focuselektroden. Toen microgolfvermogen van geschikte frequentie door de holte werd geleid, vond versterking plaats en werd de term microgolfversterking door gestimuleerde emissie van straling (M.A.S.E.R.) geboren. De term laser werd voor het eerst bedacht in 1957 door natuurkundige Gordon Gould.

Een jaar later werkte Townes samen met Arthur Schawlow en de twee stelden de laser voor, waarvoor in 1960 een patent werd verkregen. Datzelfde jaar vond Theodore Maiman, een natuurkundige bij Hughes Research Laboratories, de eerste praktische laser uit. Deze laser was van het vastestoftype en gebruikte een roze robijnkristal omgeven door een flitsbuis ingesloten in een cilindrische holte van gepolijst aluminium, gekoeld door geforceerde lucht. De robijnrode cilinder was aan beide uiteinden gepolijst om evenwijdig te zijn tot op een derde van een golflengte van het licht. Elk uiteinde was bedekt met verdampt zilver. Deze laser werkte in gepulseerde modus. Twee jaar later werd een continue robijnlaser gemaakt door de flitslamp te vervangen door een booglamp.

Nadat de laser van Maiman met succes was gedemonstreerd, probeerden andere onderzoekers een verscheidenheid aan andere substraten en zeldzame aardmetalen, waaronder erbium, neodymium en zelfs uranium. Yttrium-aluminium-granaat-, glas- en calciumfluoridesubstraten werden getest. De ontwikkeling van krachtige laserdiodes (een apparaat dat een coherente lichtuitvoer vormt met behulp van elektroden of halfgeleiders) in de jaren tachtig leidde tot volledig solid-state lasers in het continue golfregime die efficiënter, compacter en betrouwbaarder waren. Diodetechnologie verbeterde in de jaren negentig, waardoor uiteindelijk het uitgangsvermogen van solid-state lasers werd verhoogd tot een multikilowatt-niveau.

Nd:YAG- en robijnlasers worden nu gebruikt in veel industriële, wetenschappelijke en medische toepassingen, samen met andere vastestoflasers die verschillende soorten kristallen gebruiken. Nd:YAG-lasers worden ook gebruikt voor het bewaken van vervuiling, lassen en andere toepassingen. Dit type kristal wordt het meest gebruikt - meer dan tweederde van de gekweekte kristallen is van dit type. Andere kristallen die worden gekweekt zijn Nd:YVO4 (yttriumorthovanadaat), Nd:glas en Er:YAG.

Grondstoffen

Optische, mechanische en elektronische componenten gemaakt van verschillende materialen (kristallen, metalen, halfgeleiders, enz.) worden meestal geleverd door andere fabrikanten. Outsourcing verschilt van laserfabrikant tot fabrikant. Een solid-state laser bestaat uit twee hoofdcomponenten, of "dozen". Het ene onderdeel bevat de optica (laserkristal en spiegels) en het andere bevat de elektronica (voeding, interne besturing). Soms zijn deze twee componenten geïntegreerd in één doos.

Ontwerp

Het ontwerp van de laserholte wordt bepaald door de toepassing. Doorgaans ontwikkelt de onderzoeks- en ontwikkelingsgroep het ontwerp. Dit ontwerp bepaalt de operationele kenmerken, inclusief vermogen, golflengte en andere straaleigenschappen. De ontwerpers nemen ook veiligheidsvoorzieningen op zoals vereist door de Food and Drug Administration (FDA).

Het fabricageproces

• 1 Gewoonlijk worden alle of de meeste componenten elders vervaardigd. Kristaltelers leveren bijvoorbeeld het lasermateriaal. Om een ​​Nd:YAG-kristal te laten groeien, wordt een zeer zuivere oxidepoederverbinding van de gewenste elementen in een smeltkroes geplaatst en bij hoge temperaturen in een hoogfrequente oven gesmolten. Een kiemkristal wordt vervolgens in contact gebracht met het vloeistofoppervlak. Wanneer het kiemkristal langzaam wordt opgetild, geroteerd en enigszins afgekoeld, komt een enkel kristal met de gewenste samenstelling tevoorschijn met een snelheid van ongeveer 0,02 inch (0,5 mm) per uur.

  Typische Nd:YAG-kristallen variëren van 2,4-3,1 inch (60-80 mm) in diameter en 6,9-8,9 inch (175-225 mm) lang. Staven, wafels en platen in verschillende geometrieën worden uit het gegroeide kristal gehaald, vervolgens gefabriceerd, gepolijst en gecoat volgens klantspecificaties. Afgewerkte producten variëren van staven met een diameter van slechts 0,02 inch (0,5 mm) tot I inch (25 mm) Een vastestoflaser bestaat uit een holte met vlakke of bolvormige spiegels aan elk uiteinde die is gevuld met een kristal, waarvan de atomen stevig aan elkaar zijn gebonden. Nadat er licht door een lamp of een andere laser in is gepompt, produceert het kristal licht dat tussen de spiegels weerkaatst, waardoor de intensiteit toeneemt en een zeer helder licht wordt geproduceerd. lang tot plaatgeometrieën zo groot als 0,3 x 1,5 inch (8 x 37 mm) in doorsnede en 9,2 inch (235 mm) lang. De meest voorkomende Nd:YAG-staafgeometrie is een rechtse cirkelvormige cilinder.

Montage

• 2 Zodra de laser is ontworpen en de componenten zijn ontvangen, wordt de optiek geïntegreerd met de mechanische componenten. Een technicus volgt een blauwdruk en plaatst de optische componenten in de gewenste posities, met behulp van metalen houders of bevestigingsmiddelen. Deze procedure wordt uitgevoerd in een cleanroom-omgeving om contaminatie van de optische componenten te voorkomen.

Uitlijning

• 3 Vervolgens wordt de laserholte uitgelijnd zodat deze volgens de gewenste specificaties werkt. Dit wordt uitgevoerd op een testtafel door een andere technicus, waarbij een andere laser wordt gebruikt om te helpen bij het uitlijnen.

Laatste test

• 4 Voordat de laser naar de klant wordt verzonden, doorloopt deze een stap die eindtesten wordt genoemd, waarbij de laser in feite wordt gecontroleerd op juiste werking, inclusief uitgangsvermogen, straalkwaliteit en andere kenmerken. De laser wordt een aantal uren gebruikt om er zeker van te zijn dat deze de inspectie doorstaat.

Kwaliteitscontrole

De meeste laserfabrikanten volgen internationale kwaliteitsnormen die feedbackloops tijdens het productieproces bieden. De laser doorloopt ook verschillende belangrijke testprocedures zoals eerder beschreven.

Alle laserapparaten die in de Verenigde Staten worden gedistribueerd, moeten zijn gecertificeerd als zijnde in overeenstemming met de federale prestatienorm voor laserproducten en moeten worden gerapporteerd aan het Center for Devices and Radiological Health (CDRH) Office of Compliance voordat ze aan eindgebruikers worden gedistribueerd. Deze prestatienorm specificeert de veiligheidskenmerken en etikettering die alle lasers moeten hebben om gebruikers voldoende veiligheid te bieden. Elke laser moet worden gecertificeerd dat deze voldoet aan de norm voordat deze op de markt wordt geïntroduceerd. Certificering betekent dat elke unit een kwaliteitsborgingstest heeft doorstaan ​​die voldoet aan de prestatienorm. Degenen die lasers certificeren, nemen de verantwoordelijkheid voor het melden en melden van eventuele problemen met de laser.

Bijproducten/afval

Omdat leveranciers van de verschillende componenten meestal procedures voor totaalkwaliteitsbeheer volgen, test de laserfabrikant de componenten niet op defecten en is er weinig verspilling. Als er defecte onderdelen worden gevonden, worden deze soms teruggestuurd naar de fabrikant.

De Toekomst

Er worden vastestoflasers ontworpen die een hoger vermogen hebben, sneller zijn, kortere golflengten hebben en een betere bundelkwaliteit hebben, waardoor hun toepassingen zullen uitbreiden. Zo worden lasermaterialen ontwikkeld die vele miljarden pulsen in één seconde kunnen persen, wat resulteert in femtosecondelasers die tientallen pulsen per nanoseconde afgeven. Solid-state lasers die stroom kunnen leveren op terawatt- of petawatt-niveau worden ook getest voor het produceren van nucleaire reacties, met het potentieel om te worden gebruikt in toepassingen in de nucleaire geneeskunde, zoals CAT-scanning. Nd:YAG-lasers breiden uit naar de elektronica-industrie voor boor-, soldeer- en trimtoepassingen. Laserkristallen worden nog steeds gemaakt om langer mee te gaan.

De wereldmarkt voor lasersystemen zal naar verwachting toenemen van $ 4,7 miljard in 2000 tot $ 8 miljard in 2005, waarbij de markt voor solid-state lasers meer dan $ 1,1 miljard zal bereiken, vergeleken met $ 4,6 miljard voor diodelasers. Vastestoflasers vervangen in bepaalde markten kleurstof-, ionen- en HeNe-lasers. Andere analisten voorspellen dat het aantal vastestoflasers met flitslamp in 2003 zal groeien tot $ 660 miljoen en het aantal diodengepompte vastestoflasers tot $ 312 miljoen. Het laatste type laser zal populairder worden voor industriële toepassingen zoals algemene markering en materiaalverwerking, zoals de kosten dalen en er komen hogere vermogens beschikbaar. Ook deze lasers worden ontworpen met minimaal onderhoud.