Принцип работы твердотельного лазера: устройство и особенности

[Liza]

Твердотельные лазеры — это надежные устройства, где активная среда сделана из твердого кристалла. Они генерируют мощный coherentный свет для резки, сварки и других задач. Понимание их принципа поможет выбрать подходящую модель для производства.

Такие лазеры решают проблемы точной обработки металла без перегрева. Они дают стабильный луч с высокой плотностью энергии. В этой статье разберем устройство, схемы работы и режимы, чтобы вы могли применить знания на практике.

Устройство твердотельного лазера

Твердотельный лазер строится вокруг активной среды — это кристаллический стержень, например, рубин или Nd:YAG. Ионы в кристалле, вроде хрома или неодимия, возбуждаются светом от внешнего источника. Стержень вставляют в оптический резонатор с зеркалами: одно непрозрачное, другое полупрозрачное. Это создает условия для усиления света.

Электроника управляет накачкой — обычно это импульсные лампы или диоды. Охлаждение предотвращает перегрев, а отражатели направляют свет на стержень. В итоге получается компактная система, где мощность луча достигает тысяч ватт. Такие лазеры универсальны: от лабораторных до промышленных.

Вот основные элементы:

• Активная среда: Кристалл с примесями ионов (рубин Cr:Al2O3, Nd:YAG).
• Система накачки: Лампы-вспышки или лазерные диоды для возбуждения.
• Оптический резонатор: Зеркала для циркуляции фотонов.
• Охлаждение: Вода или воздух, чтобы поддерживать стабильность.

Компонент	Функция	Пример
Активный стержень	Генерация света	Nd:YAG, диаметр до 10 см
Генератор накачки	Передача энергии	Ксеноновая лампа
Зеркала	Усиление луча	Непрозрачное и полупрозрачное

Принцип работы: энергетические схемы

Работа начинается с накачки: внешний свет переводит ионы на высокий энергетический уровень. Затем происходит релаксация — ионы спускаются на промежуточный уровень, создавая инверсию населенностей. Это когда больше атомов возбуждены, чем в основном состоянии. Фотон от спонтанного излучения запускает стимулированное излучение, луч усиливается.

Рубиновый лазер работает по трёхуровневой схеме: поглощение на уровне 1-3, излучение 3-1. Неодимовый — по четырехуровневой, эффективнее, с накачкой на 0,73-0,8 мкм. Инверсия нарастает быстро, пик мощности приходится на максимальное ее значение. Луч циркулирует между зеркалами, выходя через полупрозрачное.

Ключевые этапы процесса:

1. Поглощение энергии ионов.
2. Быстрая релаксация на рабочий уровень.
3. Стимулированная эмиссия при проходе фотонов.

Важно: В четырёх уровне схема порог инверсии ниже, лазер работает проще.

Схема	Уровни	Пример	Эффективность
Трёхуровневая	1-3-1	Рубин	Средняя
Четырёхуровневая	1-4-3-1	Nd:YAG	Высокая

Режимы работы твердотельного лазера

Лазеры бывают импульсными и непрерывными. В импульсном режиме лампа-вспышка дает гигантские пики — до 10^7 Вт. Это для резки толстого металла. Непрерывный режим на гранатах обеспечивает стабильный выход. Модуляция добротности дает одиночные пикосекундные импульсы высокой мощности.

Синхронизация мод создает ультракороткие импульсы до пикосекунд. Это решает задачи микрообработки без теплового повреждения. Мощность многомодовая из-за неоднородности, но с хорошим кристаллом — основная мода TEM00 с дифракционным расходимостью. Выбор режима зависит от задачи: резка или маркировка.

Основные режимы:

• Импульсный: Короткие вспышки, высокая пиковая мощность.
• Непрерывный: Стабильный луч для длительной работы.
• Q-switching: Модуляция добротности для наносекунд.
• Модовый локинг: Пикосекундные импульсы.

Преимущества: Доставка по оптоволокну, концентрация энергии до миллиона градусов в фокусе.

Применение в промышленности

Твердотельные лазеры режают металл толщиной до 25 мм, сваривают швы без пор. В энергетике и нефтегазе — для перфорации труб. В металлообработке Nd:YAG идеален благодаря оптоволоконной передаче. Они заменяют плазму там, где нужна точность.

Параметры зависят от среды: рубин дает 694 нм, Nd:YAG — 1064 нм. Длина стержня до 1 м, мощность регулируется. Проблемы — тепловые линзы, но охлаждение решает. Это база для ЧПУ-систем в производстве.

Сравнение сред:

• Рубин: Импульсный, простая схема.
• Nd:YAG: Универсальный, непрерывный.

Перспективы развития твердотельных лазерных систем

Твердотельные лазеры эволюционируют к диодной накачке — она компактнее ламп. Гибридные системы сочетают с оптоволокном для мобильности. Осталось освоить фемтосекундные импульсы для нанообработки.

Дальше ждут материалы с лучшей однородностью и мощностью в ГВт. Стоит подумать о интеграции в ЧПУ: это упростит автоматизацию. Такие лазеры останутся основой для точной промышленности.