Festkörperlaser

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Hintergrund

Ein Laser, die Abkürzung für Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, ist ein Gerät, das elektrische oder optische Energie in Licht umwandelt. Elektrische oder optische Energie wird verwendet, um Atome oder Moleküle anzuregen, die dann monochromatisches (einfache Wellenlänge) Licht emittieren. Ein Laser besteht aus einem Hohlraum, an dessen Enden ebene oder sphärische Spiegel angebracht sind und der mit laserfähigem Material gefüllt ist. Dieses Material kann durch Licht oder eine elektrische Entladung in einen semistabilen Zustand angeregt werden. Das Material kann ein Kristall, ein Glas, eine Flüssigkeit, ein Farbstoff oder ein Gas sein, solange es auf diese Weise angeregt werden kann. Ein Festkörperlaser verwendet einen Kristall, dessen Atome im Gegensatz zu einem Gas fest verbunden sind. Der Kristall erzeugt Laserlicht, nachdem Licht entweder von einer Lampe oder einem anderen Laser hineingepumpt wurde.

Die einfachste Kavität hat zwei Spiegel, einen, der total reflektiert und einen, der zwischen 50 und 99% reflektiert. Wenn das Licht zwischen diesen Spiegeln reflektiert wird, nimmt die Intensität zu. Da sich das Laserlicht in die gleiche Richtung wie ein intensiver Strahl ausbreitet, erzeugt der Laser sehr helles Licht. Laserstrahlen können auch über große Entfernungen projiziert und auf einen sehr kleinen Fleck fokussiert werden.

Die Art des Spiegels bestimmt die Art des Strahls. Ein sehr heller, stark monochromatischer und kohärenter Strahl wird erzeugt, wenn ein Spiegel nur 1-2% des Lichts durchlässt. Bei Verwendung von Planspiegeln wird der Strahl stark kollimiert (parallel gemacht). Der Strahl tritt nahe einem Ende der Kavität aus, wenn Konkavspiegel verwendet werden. Die Art des Strahls im ersten Fall macht Laser in der Medizin sehr nützlich, da diese Eigenschaften es dem Arzt ermöglichen, den gewünschten Bereich genauer anzuvisieren und eine Schädigung des umgebenden Gewebes zu vermeiden.

Eine Möglichkeit, die Atome auf ein höheres Energieniveau anzuregen, besteht darin, das Lasermaterial mit Licht einer höheren Frequenz als das Laserlicht zu beleuchten. Diese Festkörperlaser, auch als optisches Pumpen bekannt, verwenden einen Stab aus festem kristallinem Material, dessen Enden flach und parallel poliert und mit Spiegeln beschichtet sind, um das Laserlicht zu reflektieren. Ionen sind in der kristallinen Matrix suspendiert und emittieren bei Anregung Elektronen.

Die Seiten des Stabes bleiben frei, um das Licht von der Pumplampe einzulassen, die eine gepulste Gasentladung sein kann, die Blitzlicht erzeugt. Der erste Festkörperlaser verwendete einen Stab aus rosa Rubin und einen künstlichen Saphirkristall. Zwei heute übliche Festkörperlaser sind Nd:YAG (Neodym:Yttrium-Aluminium-Granat) und Nd:Glas. Beide verwenden Krypton- oder Xenon-Blitzlampen zum optischen Pumpen. Brillante Lichtblitze bis zu Tausenden von Watt können erzielt werden und die Betriebslebensdauer beträgt fast 10.000 Stunden.

Da Laserlicht auf einen präzisen Punkt mit großer Intensität fokussiert werden kann, kann mit einem kleinen gepulsten Laser genügend Wärme erzeugt werden, um verschiedene Materialien zu verdampfen. So werden Laser in verschiedenen Materialabtragsprozessen, einschließlich der spanenden Bearbeitung, eingesetzt. Rubinlaser werden beispielsweise zum Bohren von Löchern in Diamanten für Drahtziehmatrizen und in Saphiren für Uhrenlager verwendet.

Verlauf

Das Konzept hinter Lasern wurde zuerst von Albert Einstein vorgeschlagen, der zeigte, dass Licht aus masselosen Teilchen besteht, die Photonen genannt werden. Jedes Photon hat eine Energie, die der Frequenz der Wellen entspricht. Je höher die Frequenz, desto größer ist die von den Wellen getragene Energie. Einstein und ein anderer Wissenschaftler namens S. N. Bose entwickelten dann die Theorie für das Phänomen, bei dem Photonen dazu neigen, zusammen zu reisen. Dies ist das Prinzip des Lasers.

Die Laserwirkung wurde erstmals 1954 von Nobelpreisträger Charles Townes und Mitarbeitern im Mikrowellenbereich demonstriert. Sie projizierten einen Strahl von Ammoniakmolekülen durch ein System von Fokussierelektroden. Wenn Mikrowellenleistung geeigneter Frequenz durch den Hohlraum geleitet wurde, trat eine Verstärkung auf und der Begriff Mikrowellenverstärkung durch stimulierte Strahlungsemission (M.A.S.E.R.) war geboren. Der Begriff Laser wurde erstmals 1957 von dem Physiker Gordon Gould geprägt.

Ein Jahr später arbeitete Townes mit Arthur Schawlow zusammen und die beiden schlugen den Laser vor und erhielten 1960 ein Patent. Im selben Jahr erfand Theodore Maiman, ein Physiker an den Hughes Research Laboratories, den ersten praktischen Laser. Dieser Laser war ein Festkörperlaser, der einen rosa Rubinkristall verwendete, der von einer Blitzröhre umgeben war, die in einem zylindrischen Hohlraum aus poliertem Aluminium eingeschlossen war, der durch Druckluft gekühlt wurde. Der Rubinzylinder wurde an beiden Enden poliert, um innerhalb eines Drittels einer Lichtwellenlänge parallel zu sein. Jedes Ende wurde mit aufgedampftem Silber beschichtet. Dieser Laser arbeitete im gepulsten Modus. Zwei Jahre später wurde ein kontinuierlicher Rubinlaser hergestellt, indem die Blitzlampe durch eine Bogenlampe ersetzt wurde.

Nachdem Maimans Laser erfolgreich demonstriert wurde, probierten andere Forscher eine Vielzahl anderer Substrate und seltener Erden aus, darunter Erbium, Neodym und sogar Uran. Yttrium-Aluminium-Granat-, Glas- und Calciumfluorid-Substrate wurden getestet. Die Entwicklung leistungsstarker Laserdioden (ein Gerät, das mit Elektroden oder Halbleitern einen kohärenten Lichtausgang erzeugt) in den 1980er Jahren führte zu Festkörperlasern im Dauerstrichbereich, die effizienter, kompakter und zuverlässiger waren. Die Diodentechnologie verbesserte sich in den 1990er Jahren und steigerte schließlich die Ausgangsleistungen von Festkörperlasern auf das Multi-Kilowatt-Niveau.

Nd:YAG- und Rubinlaser werden heute in vielen industriellen, wissenschaftlichen und medizinischen Anwendungen zusammen mit anderen Festkörperlasern verwendet, die unterschiedliche Kristalltypen verwenden. Nd:YAG-Laser werden auch zur Überwachung von Verschmutzung, Schweißen und anderen Anwendungen verwendet. Diese Art von Kristall ist die am weitesten verbreitete – mehr als zwei Drittel der gezüchteten Kristalle sind dieser Art. Andere gezüchtete Kristalle umfassen Nd:YVO4 (Yttriumorthovanadat), Nd:Glas und Er:YAG.

Rohstoffe

Optische, mechanische und elektronische Komponenten aus verschiedenen Materialien (Kristalle, Metalle, Halbleiter etc.) werden in der Regel von anderen Herstellern geliefert. Outsourcing variiert von Laserhersteller zu Hersteller. Ein Festkörperlaser besteht aus zwei Hauptkomponenten oder "Boxen". Ein Bauteil enthält die Optik (Laserkristall und Spiegel), das andere die Elektronik (Netzteil, interne Steuerung). Manchmal sind diese beiden Komponenten in einer Box integriert.

Design

Das Design der Laserkavität wird durch die Anwendung bestimmt. Typischerweise entwickelt die Forschungs- und Entwicklungsgruppe das Design. Dieses Design bestimmt die Betriebseigenschaften, einschließlich Leistung, Wellenlänge und andere Strahleigenschaften. Die Designer integrieren auch Sicherheitsfunktionen, die von der Food and Drug Administration (FDA) gefordert werden.

Der Herstellungsprozess

• 1 Normalerweise werden alle oder die meisten Komponenten anderswo hergestellt. Zum Beispiel stellen Kristallzüchter das Lasermaterial bereit. Um einen Nd:YAG-Kristall zu züchten, wird eine hochreine Oxidpulververbindung der gewünschten Elemente in einen Tiegel gegeben und in einem Hochfrequenzofen bei hohen Temperaturen geschmolzen. Ein Impfkristall wird dann mit der Flüssigkeitsoberfläche in Kontakt gebracht. Wenn der Impfkristall langsam angehoben, gedreht und leicht abgekühlt wird, entsteht ein Einkristall der gewünschten Zusammensetzung mit einer Geschwindigkeit von etwa 0,02 Zoll (0,5 mm) pro Stunde.

  Typische Nd:YAG-Kristalle haben einen Durchmesser von 2,4–3,1 Zoll (60–80 mm) und eine Länge von 6,9–8,9 Zoll (175–225 mm). Aus dem gewachsenen Kristall werden Stäbe, Wafer und Slabs in verschiedenen Geometrien extrahiert, anschließend nach Kundenwunsch gefertigt, poliert und beschichtet. Fertige Produkte reichen von Stangen mit einem Durchmesser von nur 0,02 Zoll (0,5 mm) bis 1 Zoll (25 mm) Ein Festkörperlaser besteht aus einem Hohlraum mit ebenen oder sphärischen Spiegeln an jedem Ende, der mit einem Kristall gefüllt ist, deren Atome fest verbunden sind. Nachdem Licht entweder von einer Lampe oder einem anderen Laser hineingepumpt wurde, erzeugt der Kristall Licht, das zwischen den Spiegeln zurückprallt, die Intensität erhöht und ein sehr helles Licht erzeugt. lang bis zu Plattengeometrien mit einer Größe von 0,3 x 1,5 Zoll (8 x 37 mm) im Querschnitt und 9,2 Zoll (235 mm) Länge. Die gebräuchlichste Nd:YAG-Stabgeometrie ist ein gerader Kreiszylinder.

Montage

• 2 Sobald der Laser entworfen und die Komponenten erhalten wurden, wird die Optik mit den mechanischen Komponenten integriert. Ein Techniker folgt einem Bauplan und platziert die optischen Komponenten mit Hilfe von Metallhaltern oder Montagevorrichtungen an den gewünschten Positionen. Dieses Verfahren wird in einer Reinraumumgebung durchgeführt, um eine Kontamination der optischen Komponenten zu vermeiden.

Ausrichtung

• 3 Als nächstes wird die Laserkavität so ausgerichtet, dass sie mit den gewünschten Spezifikationen arbeitet. Dies wird auf einem Testtisch von einem anderen Techniker durchgeführt, der einen anderen Laser verwendet, um bei der Ausrichtung zu helfen.

Abschlusstest

• 4 Vor dem Versand des Lasers an den Kunden durchläuft er einen sogenannten Endtest, bei dem der Laser im Wesentlichen auf ordnungsgemäßen Betrieb, einschließlich Ausgangsleistung, Strahlqualität und anderer Eigenschaften, überprüft wird. Der Laser wird mehrere Stunden betrieben, um sicherzustellen, dass er die Prüfung besteht.

Qualitätskontrolle

Die meisten Laserhersteller befolgen internationale Qualitätsstandards, die während des gesamten Herstellungsprozesses Feedbackschleifen bieten. Der Laser durchläuft auch mehrere wichtige Testverfahren, wie zuvor beschrieben.

Alle in den Vereinigten Staaten vertriebenen Lasergeräte müssen zertifiziert sein, dass sie dem bundesstaatlichen Leistungsstandard für Laserprodukte entsprechen, und vor dem Vertrieb an Endverbraucher dem Compliance Office des Center for Devices and Radiological Health (CDRH) gemeldet werden. Diese Leistungsnorm legt die Sicherheitsmerkmale und die Kennzeichnung fest, die alle Laser haben müssen, um den Benutzern angemessene Sicherheit zu bieten. Jeder Laser muss vor der Markteinführung zertifiziert werden, dass er der Norm entspricht. Zertifizierung bedeutet, dass jedes Gerät einen Qualitätssicherungstest bestanden hat, der dem Leistungsstandard entspricht. Diejenigen, die Laser zertifizieren, übernehmen die Verantwortung für die Meldung und Meldung von Problemen mit dem Laser.

Nebenprodukte/Abfälle

Da die Lieferanten der verschiedenen Komponenten in der Regel ein Total-Quality-Management verfolgen, prüft der Laserhersteller die Komponenten nicht auf Mängel und es entsteht wenig Ausschuss. Werden defekte Komponenten gefunden, werden diese manchmal an den Hersteller zurückgeschickt.

Die Zukunft

Es werden Festkörperlaser entwickelt, die eine höhere Leistung haben, schneller sind, kürzere Wellenlängen und eine bessere Strahlqualität haben, was ihre Anwendungen erweitern wird. So werden beispielsweise Lasermaterialien entwickelt, die in der Lage sein werden, viele Milliarden Pulse in eine Sekunde zu pressen, was dazu führt, dass Femtosekundenlaser Dutzende von Pulsen pro Nanosekunde liefern. Festkörperlaser, die Leistung im Terawatt- oder Petawatt-Bereich bereitstellen können, werden auch für die Erzeugung von Kernreaktionen getestet, mit dem Potenzial, in nuklearmedizinischen Anwendungen wie dem CAT-Scanning eingesetzt zu werden. Nd:YAG-Laser expandieren in die Elektronikindustrie für Bohr-, Löt- und Trimmanwendungen. Laserkristalle werden weiterhin für eine längere Lebensdauer hergestellt.

Es wird erwartet, dass der Weltmarkt für Lasersysteme von 4,7 Milliarden US-Dollar im Jahr 2000 auf 8 Milliarden US-Dollar im Jahr 2005 steigen wird, wobei der Markt für Festkörperlaser über 1,1 Milliarden US-Dollar erreichen wird, verglichen mit 4,6 Milliarden US-Dollar für Diodenlaser. Festkörperlaser ersetzen in bestimmten Märkten Farbstoff-, Ionen- und HeNe-Laser. Andere Analysten prognostizieren, dass blitzlampengepumpte Festkörperlaser bis 2003 auf 660 Millionen US-Dollar und diodengepumpte Festkörperlaser auf 312 Millionen US-Dollar anwachsen werden. Der letztgenannte Lasertyp wird für industrielle Anwendungen wie Allzweckmarkierungen und Materialbearbeitung immer beliebter werden die Kosten sinken und höhere Befugnisse werden verfügbar. Diese Laser werden auch mit minimalem Wartungsaufwand entwickelt.