¿Cuáles son los distintos láseres?
Un sistema que puede producir luz láser se llama láser. Debido al desarrollo de la ciencia y la tecnología, el diseño y la fabricación de láseres son cada vez más perfectos, y una amplia variedad de láseres de diversos tipos están surgiendo como hongos después de una lluvia.
Láser de estado sólido resistente y duradero
La sustancia de trabajo del láser de estado sólido es mezclar uniformemente una pequeña cantidad de iones activados (lo que significa que la estructura del nivel de energía tiene las condiciones para amplificación de luz) en el cristal o vidrio del material huésped (iones). Lo que realmente emite luz son iones activados, como los iones de cromo en el sistema de tres niveles de rubí, los iones de neodimio en el sistema de cuatro niveles de vidrio de neodimio, etc. Por eso, también se le llama láser de iones sólidos. Los iones activados se dividen en tres categorías según la tabla periódica de elementos: elementos de metales de transición (cromo, manganeso, cobalto, níquel, vanadio, etc.); elementos de tierras raras (neodimio, disprosio, holmio, praseodimio, etc.); elementos como el uranio, etc. Cada ion activado tiene uno o varios materiales de matriz adecuados para él. Hay cientos de cristales y docenas de vidrios, pero los materiales de matriz realmente prácticos son los cristales de rubí y de itrio-aluminio, así como el vidrio de silicato, borato, fosfato, borosilicato y fluoruro.
La densidad de iones activos de los materiales sólidos se sitúa entre la de los gases y la de los semiconductores. La vida metaestable de los materiales sólidos es relativamente larga, la pérdida de energía luminosa por emisión espontánea es pequeña y la capacidad de almacenamiento de energía es fuerte, por lo que es adecuado utilizar la llamada tecnología Q-switched para generar un láser de pulso de alta potencia. . Además, las líneas de fluorescencia de los materiales sólidos son relativamente anchas y se pueden obtener pulsos ultracortos de radiación láser ultraintensa después del "bloqueo de modo". Entre los láseres de estado sólido, Ruby es un sistema de tres niveles y la mayoría de los demás son sistemas de cuatro niveles.
Los láseres de estado sólido generalmente se excitan ópticamente mediante lámparas de bomba, por lo que su vida útil y eficiencia están limitadas por la lámpara de bomba. No obstante, los dispositivos de estado sólido son pequeños y robustos y tienen una alta potencia de radiación de pulso, por lo que tienen una amplia gama de aplicaciones.
Pequeño y exquisito láser semiconductor
En los materiales sólidos, aquellos que permiten que una gran cantidad de electrones fluyan libremente en su interior se denominan conductores a aquellos que sólo dejan pasar un número muy reducido de electrones; pasan se llaman aislantes; la conductividad es menor que Un conductor que es más alto que un aislante se llama semiconductor. Los láseres que utilizan semiconductores como materiales de trabajo láser se denominan láseres semiconductores. Aunque el semiconductor en sí también es sólido, el mecanismo de emisión de luz no es esencialmente diferente del de un láser de estado sólido. Sin embargo, debido a las diferentes estructuras materiales de los semiconductores, el alto nivel de energía y el bajo nivel de energía de la transición de radiación estimulada que genera el láser son la "banda de conducción" y la "banda de valencia", respectivamente. La radiación es el resultado de la recombinación de. electrones y "huecos" y tiene su propia particularidad, por lo que no está incluido en la lista de láseres de estado sólido.
Existen docenas de materiales de trabajo para láseres semiconductores, los más maduros son el arseniuro de galio (GaAs), el arseniuro de galio dopado con aluminio, etc. Los métodos de excitación incluyen bombeo óptico, bombardeo de electrones, inyección eléctrica, etc.
Los láseres semiconductores son de tamaño pequeño, livianos, de larga duración y de estructura simple, por lo que son particularmente adecuados para su uso en aviones, buques de guerra, vehículos y naves espaciales. Algunos láseres semiconductores pueden cambiar la longitud de onda del láser a través de campos eléctricos externos, campos magnéticos, temperatura, presión, etc., lo que se denomina sintonización, y pueden modular fácilmente el haz de salida. El rango de longitud de onda de los láseres semiconductores es de 0,32 a 34 micrones. que es relativamente amplia. Puede convertir directamente energía eléctrica en energía láser con una eficiencia superior al 10%. Todo esto ha llamado la atención, por lo que se ha desarrollado rápidamente y se ha utilizado ampliamente en comunicaciones láser, alcance, radar, simulación, advertencia, ignición y detonación y control automático.
La mayor desventaja de los láseres semiconductores es que el rendimiento del láser se ve muy afectado por la temperatura. Por ejemplo, el láser de arseniuro de galio, cuando la temperatura cambia de la temperatura absoluta de 77°K a la temperatura ambiente, la longitud de onda del láser cambia. de 0,84 a 0,91 micras. Además, aunque la eficiencia es alta, la potencia total no es alta debido a su pequeño tamaño. La salida continua a temperatura ambiente es de sólo unas pocas decenas de milivatios y la salida de impulsos es de sólo unas pocas decenas de vatios. El ángulo de divergencia del haz de luz suele estar entre unos pocos grados y 20 grados, por lo que tiene poca direccionalidad, monocromaticidad y coherencia.
Láser de gas de estructura sencilla
Los láseres que utilizan gas como sustancia de trabajo se denominan láseres de gas. Actualmente es el tipo de láser más diverso y utilizado. La monocromaticidad y la coherencia son relativamente buenas, pueden funcionar de manera estable durante mucho tiempo y la mayoría de ellas pueden funcionar de forma continua. Hay miles de longitudes de onda láser, ampliamente distribuidas desde el ultravioleta hasta el infrarrojo lejano.
En términos generales, los láseres de gas tienen estructuras simples, bajos costos y fácil operación. Debido a las ventajas anteriores, se utiliza ampliamente en investigaciones civiles y científicas, como la industria, la agricultura, la medicina, la medición de precisión, la tecnología holográfica, etc. Sin embargo, la presión de la mayoría de los gases de trabajo es baja y el número de partículas por unidad de volumen es sólo unas pocas milésimas del número de iones activados en el sólido, por lo que la potencia instantánea no es alta. Sin embargo, algunos son como los láseres de gas de dióxido de carbono (C02): tanto la potencia de radiación pulsada como la potencia de radiación continua han alcanzado un nivel muy alto.
Las sustancias que trabajan con láser de gas incluyen tres categorías: átomos, iones y gases moleculares. Los gases atómicos son todos neutros y los componentes activados se dividen en gases inertes (helio, neón, argón, criptón, xenón) y vapores metálicos (cesio, plomo, zinc, manganeso, cobre), etc. Las longitudes de onda del láser de los átomos de gases nobles se distribuyen principalmente en las regiones infrarroja y lejana, y algunas se encuentran en el rango de luz visible. El gas helio-neón es un representante típico.
Cuando un átomo pierde su electrón más externo, se convierte en un ion. Cuando pierde unos pocos electrones, se llama ion multivalente. Los materiales de trabajo con láser de iones gaseosos se dividen aproximadamente en dos categorías: láseres de iones de gas inerte como argón, criptón y xenón; y láseres de iones de vapor metálico como cadmio, selenio, zinc y cobre. Aunque la potencia del láser de gas iónico es mayor que la del gas atómico, la mayoría de las longitudes de onda del láser se encuentran en el rango de luz ultravioleta y visible, por lo que existe un cierto rango de uso.
Hay tres tipos de componentes activados del gas neutro: moléculas diatómicas como el monóxido de carbono, nitrógeno, hidrógeno y oxígeno; moléculas triatómicas como el dióxido de carbono, el óxido nitroso, el vapor de agua y algunas moléculas poliatómicas. . Las características de los láseres de gas molecular son: el rango de longitud de onda más amplio, generación de láser desde ultravioleta hasta infrarrojo lejano, gran potencia de salida y alta eficiencia de conversión. Entre ellos, la longitud de onda del láser de dióxido de carbono (CO2) es de 10,6 micrones, que cae en la ventana atmosférica, puede viajar muy lejos en la atmósfera y se encuentra en la región invisible del infrarrojo medio. Tiene alta potencia y alta eficiencia. , por lo que se utiliza mucho en aplicaciones militares.
En el medio del láser de gas, además del componente activo, generalmente se agrega una cantidad adecuada de gas auxiliar para aumentar la potencia de salida del láser, mejorar el rendimiento del láser y extender la vida útil del láser.
Los láseres de gas tienen varios métodos de excitación como energía eléctrica, energía térmica, energía química, energía óptica y energía nuclear. La excitación de energía eléctrica se puede dividir en corriente continua, corriente alterna, descarga de radiofrecuencia y otros métodos.
Láseres químicos de enorme potencia
Los láseres que consiguen la inversión del número de partículas mediante reacciones químicas se denominan láseres químicos. Aunque la mayoría de sus sustancias de trabajo son gases (algunos también usan líquidos) y sus estructuras son en su mayoría similares a los láseres de gas, tienen sus propias particularidades en términos del inicio de reacciones químicas y el proceso de inversión del número de partículas, en particular, el funcionamiento. del láser debe conseguirse mediante reacciones químicas, por lo que no se incorpora al láser de gas sino que se introduce por separado.
Las propias sustancias químicas contienen una enorme energía química. Por ejemplo, cuando cada kilogramo de flúor e hidrógeno reaccionan para formar fluoruro de hidrógeno (HF), pueden liberar aproximadamente 1,3×107 julios de energía. Debido a que puede concentrar una gran cantidad de energía dentro de una unidad de volumen, se pueden obtener láseres de alta energía cuando la energía química se convierte directamente en radiación estimulada. Además, su dispositivo es de tamaño pequeño y liviano, lo que lo hace muy popular entre los militares. En 1978, la Marina de los EE. UU. utilizó un láser químico de fluoruro de deuterio (DF) de onda continua de 400.000 vatios en su prueba de tiro al blanco con arma láser a bordo. El Dispositivo Shenguang, un láser de alta potencia a gran escala de 1 teravatio (equivalente a 1 megavatio) diseñado y desarrollado por mi país, también es un láser químico. Estados Unidos ha desarrollado un sistema láser químico de escritorio de alta potencia con una potencia instantánea de 10 teravatios (equivalente a 10 megavatios), lo que equivale a 20 veces la potencia de salida total de todas las centrales eléctricas de los Estados Unidos.
Dado que la energía de excitación química proviene de reacciones químicas, básicamente no requiere suministro de energía externo y tiene poca dependencia de fuentes externas. Esto es realmente deseable para aplicaciones militares y de campo. Todos los láseres discutidos anteriormente requieren energía de excitación externa, especialmente energía eléctrica, y la fuente de energía a menudo representa la mayor parte del volumen y peso del láser. Para un láser con una potencia de 100.000 vatios, si la eficiencia global es una milésima, se debe dedicar un generador de más de 100.000 kilovatios para alimentarlo. Por supuesto, los láseres químicos también utilizan algo de energía externa para desencadenar reacciones químicas, pero la cantidad necesaria es muy pequeña en comparación con la energía de excitación de otros láseres.
La mayoría de las sustancias químicas utilizadas para trabajar con láser son tóxicas e incluso materiales como el vidrio se corroen fácilmente. Y debido a que en las reacciones químicas, el número de partículas y la distribución del nivel de energía están relativamente dispersos, la monocromaticidad del láser es pobre. La presión del gas de los materiales de trabajo del láser químico sigue siendo relativamente baja y la tasa de utilización de la energía de reacción no es muy alta, todo lo cual debe mejorarse.
Láser excímero con longitud de onda extremadamente corta
El "excímero" es diferente de las moléculas estables ordinarias. No es una molécula real y no existe en el estado normal de la naturaleza. El excímero es un compuesto inestable creado artificialmente que solo puede existir en forma de moléculas en el estado excitado (la vida útil en el estado excitado es de 10 a 8 segundos), pero se disocia en átomos en el estado fundamental (la vida útil en el estado fundamental es de 10 a 8 segundos). 3 segundos), es decir, se combina en moléculas en el estado excitado y se disocia en átomos en el estado fundamental. Por ejemplo, en los átomos de gases nobles, la órbita (capa) más externa está llena de electrones, por lo que su valencia atómica es cero y, por lo general, no se combina con ningún átomo para formar moléculas. Pero una vez que están en un estado excitado por alguna excitación externa, pueden combinarse con otros átomos para formar una molécula inestable, que habitualmente se denomina "excímero excitado". Cuando se estimula el excímero excitado para que vuelva al estado fundamental desde el estado excitado (el excímero se disocia a su estado atómico original), habrá salida de láser a través de radiación estimulada y amplificación de resonancia. Este tipo de láser se denomina "láser excimer".
El láser excimer es un nuevo dispositivo de pulso de alta energía que ha surgido desde la década de 1970. La duración del pulso está en el rango de los picosegundos (10-12) segundos y la potencia máxima del pulso supera los gigavatios (109) vatios. , y la energía del pulso es superior a 100 julios, una tasa de repetición del pulso de varios cientos de veces por segundo y una eficiencia superior al 10%. Aunque la potencia máxima del pulso sigue siendo tres órdenes de magnitud menor que los 1012 vatios de los láseres de pulso químicos, tiene grandes perspectivas en términos de desarrollo. En particular, las longitudes de onda de los dispositivos láser excimer se distribuyen principalmente en la región ultravioleta y se espera que se utilicen en fusión nuclear controlada, separación de isótopos, diagnóstico de plasma, mecanizado en frío y suave de materia orgánica y comunicaciones interestelares. , armas ópticas, etc. habilidad.
Láser de electrones libres único
Aunque el principio de emisión estimulada de electrones libres fue propuesto en 1951, no fue hasta 1977 que la Universidad de Stanford en Estados Unidos utilizó un superconductor de 2,4 kilogauss. Se obtuvo un campo magnético y un haz de electrones con una energía de 43 MeV, una potencia láser promedio de 0,36 vatios y una potencia máxima de 7 kilovatios a una longitud de onda de 3,4 micrones. El llamado "láser de electrones libres" se refiere a un novedoso dispositivo láser de alta potencia continuamente sintonizable que requiere el uso de equipos complejos como aceleradores. Este tipo de láser aún no está maduro desde la teoría hasta el experimento.
El mecanismo de funcionamiento del láser de electrones libres es único. Obtiene un haz de electrones ajustados de alta energía de decenas de millones de electronvoltios desde un acelerador. Estos electrones ajustados pasan a través de un campo magnético periódico para formar energía. niveles de diferentes estados energéticos. Luego se logra una inversión del número de partículas entre ellos y se produce una emisión estimulada de radiación.
Los electrones libres no están unidos por el núcleo. De esta manera, los electrones libres se mueven con relativa libertad. En comparación con la estructura de niveles de energía fija de los electrones unidos, su estructura de niveles de energía es libre y sin restricciones. Por lo tanto, la longitud de onda o frecuencia de la radiación láser se puede ajustar a medida que cambia el nivel de energía de los electrones (determinado principalmente por la energía de los electrones). Actualmente, la sintonización se realiza cambiando la energía del haz de electrones y la intensidad del campo magnético. El rango de sintonización puede variar desde microondas hasta infrarrojos e incluso bandas de rayos X.
Precisamente porque los electrones libres no están unidos por núcleos atómicos ni restringidos por órbitas fijas de electrones, la potencia y la eficiencia del láser se pueden mejorar continuamente. Este dispositivo puede oscilar y amplificarse, y puede funcionar en modo pulsado o continuo. . Además, la energía de los electrones libres no es fácil de "envejecer". Si se utiliza un acelerador con una estructura de anillo de almacenamiento, el haz de electrones se puede reutilizar, mejorando aún más la eficiencia.