固体レーザーの動作原理と応用

固体レーザー固体レーザー材料を作動物質として使用するレーザーです。 1960 年に TH Maiman によって発明されたルビー レーザーは固体レーザーであり、世界初のレーザーでした。 固体レーザーは一般に、レーザー加工材料、励起源、集束空洞、共鳴空洞反射器、および電源で構成されます。

このタイプのレーザーで使用される固体作動材料は、結晶に誘導放出を生成できる金属イオンをドープすることによって作られます。 固体中で誘導放出を引き起こす可能性のある金属イオンには主に 3 種類あります。(1) 遷移金属イオン (Cr3 プラスなど)。 (2) ほとんどのランタニド金属イオン (Nd3 プラス、Sm2 プラス、Dy2 プラスなど)。 (3) アクチニウム 金属イオン（U3 plus など）です。 固体マトリックスにドープされたこれらの金属イオンの主な特性は、比較的広い有効吸収スペクトル帯域、比較的高い蛍光効率、比較的長い蛍光寿命、および比較的狭い蛍光スペクトル線であるため、粒子数反転および誘導放出が起こりやすいです。 結晶母材として使用される人工結晶には、主にコランダム（NaAlSi2O6）、イットリウムアルミニウムガーネット（Y3Al5、O12）、タングステン酸カルシウム（CaWO4）、フッ化カルシウム（CaF2）などのほか、アルミン酸イットリウム（YAlO3）、ベリリウムランタンなどがあります。使用されるガラス基板は、主に一般的に使用されるバリウムクラウンガラスやカルシウムクラウンガラスなどの高品質のケイ酸塩光学ガラスです。 結晶マトリックスと比較して、ガラスマトリックスの主な特徴は、調製が容易であり、高品質の材料を大きなサイズで容易に入手できることである。 結晶およびガラス基板の主な要件は次のとおりです。活性化のための発光金属イオンの組み込みが容易であること。 良好な分光特性、光透過率特性、および高度の光学（屈折率）均一性。 長期間のレーザー動作に適した物理的特性と化学的特性 (熱的特性、耐劣化性、化学的安定性など)。 結晶レーザーの代表的なものは、ルビー（Al2O3：Cr3plus）やネオジムドープイットリウムアルミニウムガーネット（略称YAG：Nd3plus）です。 ガラスレーザーとしてはネオジムガラスレーザーが代表的です。

固体レーザー加工材料

固体レーザーの作動材料は、活性化イオンまたは他の活性化物質がドープされたマトリックス材料として光学的に透明な結晶またはガラスで構成されています。 この作動物質は通常、良好な物理化学的特性、狭い蛍光スペクトル線、強くて広い吸収バンド、および高い蛍光量子効率を備えている必要があります。

ガラスレーザー加工材料は均一な大型材料を容易に製造でき、高エネルギーまたは高ピーク出力レーザーで使用できます。 ただし、蛍光スペクトル線が広く、熱性能が低いため、高い平均出力での作業には適していません。 一般的なネオジムガラスには、ケイ酸塩ガラス、リン酸塩ガラス、フッ化リン酸塩ガラスなどがあります。 1980 年代初頭には、負の屈折率温度係数を持つネオジム ガラスの開発に成功しました。これは、高繰り返し率の中小規模のエネルギー レーザーに使用できます。

結晶レーザー加工材料は一般に、優れた熱的および機械的特性と狭い蛍光スペクトル線を備えていますが、高品質の大型材料を得るための結晶成長技術は複雑です。 1960年代以降、さまざまな希土類金属や遷移金属イオンをドープした300種類以上の酸化物やフッ化物の結晶がレーザー発振を実現しました。 一般的に使用されるレーザー結晶には、ルビー (Cr:Al2O3、波長 6943 オングストローム)、ネオジムドープ イットリウム アルミニウム ガーネット (Nd:Y3Al5O12、Nd:YAG と呼ばれる、波長 1.064 ミクロン)、フッ化リチウム イットリウム (LiYF4、YLF と呼ばれる) などがあります。 Nd:YLF、波長1.047または1.05ミクロン、Ho:Er:Tm:YLF、波長2.06ミクロン)など

1973 年以来、別のタイプの自己活性レーザー結晶が登場しました。 活性イオンは結晶の化学成分であるため、活性イオン濃度が高く、蛍光消光が起こりません。 この結晶は、高いレーザー利得と低い抽出閾値を備えています。 主な種類には、五リン酸ネオジム (NdP5O14)、四リン酸ネオジムリチウム (NdLiP4O12)、ホウ酸ネオジムアルミニウム (NdAl3(BO4)3) などがあります。 これらは主に溶融塩法によって成長され、結晶サイズが小さいため、小型固体レーザーに使用できます。

広帯域蛍光特性を備えたさまざまな波長可変レーザー結晶が開発されています。たとえば、末端フォノン遷移を有するクリソベリル (Cr:BeAl2O4、波長 0.701-0.815 ミクロン、室温で動作)、ニッケル-ドープフッ化マグネシウム (Ni: MgF2、波長 1.6 ～ 1.8 ミクロン、低温で動作)、5d→4f 転移を有するセリウムドープフッ化リチウムイットリウム (Ce:YLF、波長 0.306) ~0.315 ミクロン、エキシマ レーザーで励起、室温で動作) およびハロゲン化アルカリの色中心レーザー結晶 (ドープされていないまたはドープされた塩化カリウム、フッ化リチウムなど、波長 0.8 ～ 3.9 ミクロン、主に動作)低温で）。

固体レーザー励起源

固体レーザーは励起源として光を使用します。 一般的に使用されるパルス励起源には、キセノンチャージされたフラッシュ ランプが含まれます。 連続励起源には、クリプトンアークランプ、ヨウ素タングステンランプ、カリウムルビジウムランプなどが含まれます。小型で長寿命のレーザーでは、半導体発光ダイオードまたは太陽光を励起源として使用できます。 新しい固体レーザーの中には、レーザー励起を使用するものもあります。

光源の発光スペクトルの一部のみが加工材料に吸収され、その他の損失も発生するため、固体レーザーのエネルギー変換効率は高くなく、一般に数千分の1から数パーセントの間です。

固体レーザーの特性

固体レーザーは、高エネルギーおよび高出力のコヒーレント光源として使用できます。 ルビーパルスレーザーの出力エネルギーはキロジュールレベルに達することがあります。 Q スイッチ多段増幅ネオジム ガラス レーザー システムの最大パルス出力は 10 ワットです。 イットリウム・アルミニウム・ガーネット連続レーザーの出力は数百ワットに達する可能性があり、多段直列接続ではキロワットに達する可能性があります。

固体レーザーは、Q スイッチング技術 (可視光変調) を使用してナノ秒から数百ナノ秒の範囲の短パルスを取得し、モードロック技術を使用してピコ秒から数百ピコ秒の範囲の超短パルスを取得します。

加工材料の光学的不均一性などにより、一般的な固体レーザーの出力はマルチモードになります。 光学的均一性が良好な加工材料を選択し、共振器を慎重に設計するなどの技術的手段を講じれば、回折限界に近いビーム発散角を持つ基本横モード(TEM00)レーザーを得ることができます。 、単一縦モードレーザーも得られます。

固体レーザーのアプリケーションとトレンド

固体レーザーは、軍事、加工、医療、科学研究の分野で幅広く使用されています。 一般的に、測距、追跡、誘導、穴あけ、切断および溶接、半導体材料のアニーリング、電子デバイスの微細加工、大気検出、分光研究、外科および眼科手術、プラズマ診断、パルスホログラフィーおよびレーザー融合などで使用されます。 . . 固体レーザーは、波長可変色素レーザーの励起源としても使用されます。

固体レーザーの開発トレンドは、新しい波長や動作波長が調整可能な新しい加工材料の探索、レーザーの変換効率の向上、出力パワーの増加、ビーム品質の向上、ビームの圧縮など、材料とデバイスの多様化です。パルス幅を増やし、信頼性を向上させ、耐用年数を延長します。

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