最も一般的なレーザー発生器の6つのタイプ
レーザー技術はあらゆる方面から人々の生活に入り込んでいますが、レーザー発生器には多くの種類があり、それぞれ波長や特性が異なり、応用分野も異なります。ほとんどの人は、複雑な種類のレーザー発生器を前にして、少し頭を悩ませていると思います。そこで、この記事では、さまざまなタイプのレーザー発生器の特徴と実際の用途を一つずつまとめて説明します。
レーザー発生器は、動作媒体の違いにより、固体、ガス、色素、ダイオード、ファイバー、自由電子レーザー発生器の 6 種類に分けられます。その中でも、固体レーザーとガスレーザーには多くの細分化があります。自由電子レーザーを除いて、ポンプ源、光共振器、ゲイン媒体など、さまざまなレーザーの基本的な動作原理は同じです。
固体レーザージェネレータ
固体レーザー発生器では、一般に光が励起源として使用され、光を発生できる結晶またはガラスは作業材料と呼ばれます。材料はマトリックスと活性イオンで構成されています。マトリックス材料は活性イオンに適した存在と作業環境を提供し、活性イオンはレーザー発生プロセスを完了します。一般的に使用される活性イオンは、主にクロム、コバルト、ニッケルなどの遷移金属イオンと、ネオジムイオンなどの希土類金属イオンです。誘電体フィルムでコーティングされたミラーは共振器ミラーとして使用され、1つはフルミラーで、もう1つはハーフミラーです。異なる活性イオン、異なるマトリックス材料、および異なる光励起波長を使用すると、さまざまな波長のレーザーが放射されます。
ルビーレーザー発生器から出力されるレーザー波長は694.3nmで、光電変換率はわずか0.1％と低い。しかし、蛍光寿命が長く、エネルギー貯蔵に役立ち、高いパルスピークパワーを出力できる。ペン芯の太さと長い指のルビーロッドから発生するレーザーは、鉄板を簡単に貫通できます。より効率的なYAGレーザーシステムが登場する前は、ルビーレーザーシステムは広く使用されていました。 切断 また、694nmの光はメラニンに吸収されやすいため、ルビーレーザーは色素性病変（皮膚のシミ）の治療にも使用されます。
Ti:サファイアレーザー発生器は結晶特性により、広い同調範囲（つまり、同調可能な波長範囲）を持ち、必要に応じて660nm～1200nmの波長の光を出力できます。周波数倍増技術（光の周波数を330倍に、つまり波長を半分にできる）の成熟と相まって、波長範囲は600nm～2nmまで拡張できます。チタンサファイアレーザーシステムは、フェムト秒分光法、非線形光学研究、白色光の生成、テラヘルツ波の生成などに使用され、医療美容にも応用されています。
YAGはイットリウムアルミニウムガーネットの略称で、現在最も優れたレーザー結晶マトリックスです。ネオジム（Nd）をドープすると、 1064nm 光、最大連続出力は1000Wに達することができます。 初期には、不活性ガスフラッシュランプがポンプソースとして使用されていましたが、フラッシュランプポンプ方式はスペクトル範囲が広く、ゲイン媒体の吸収スペクトルとの一致が悪く、熱負荷が大きいため、光電変換率が低くなります。 そのため、現在はLD（レーザーダイオード）ポンピングを使用して、高効率、高出力、長寿命を実現できます。 Nd：YAGレーザー発生器は、血管腫の治療に使用でき、腫瘍の成長を抑制します。 ただし、組織への熱損傷は非選択的です。 腫瘍の血管を凝固させると同時に、余分なエネルギーが周囲の正常組織にも損傷を与え、手術後に傷跡が残りやすくなります。 そのため、Nd：YAGレーザーは主に外科、婦人科、耳鼻咽喉科で使用され、皮膚科ではあまり使用されていません。
Yb:YAGは、イッテルビウム（Yb）がドープされたYAGで、1030nmの光を出力できます。Yb:YAGのポンプ波長は941nmで、出力波長に非常に近いため、91.4％のポンプ量子効率を達成でき、ポンプによって発生する熱は 10% （入力エネルギーの大部分が出力エネルギーに変換され、その一部が熱になるので、変換効率が非常に高いことを意味します）、これは25％から 30% Yb:YAG は最も魅力的な固体レーザー媒体の一つとなり、LD 励起高出力 Yb:YAG 固体レーザー発生器は新たな研究のホットスポットとなり、高効率、高出力固体レーザー発生器の開発の主要方向の一つとみなされています。
上記の 2097 つに加えて、YAG にはホルミウム (Ho)、エルビウム (Er) なども添加できます。Ho:YAG は、主に光通信、レーダー、医療用途向けに、目に安全な 2091nm および 2.9nm レーザーを生成します。Er:YAG はμm の光を出力し、人体はこの波長の吸収率が高いため、レーザー手術や血管手術に大きな応用可能性があります。
ガスレーザー発生器
ガスレーザー発生器は、ガスを増幅媒体として使用し、通常はガス放電をポンピングするレーザー システムです。ガスの種類には、原子ガス (ヘリウムネオン、希ガスイオン、金属蒸気)、分子ガス (窒素、二酸化炭素)、エキシマ ガスなどがあり、化学反応によって生成されます。
HeNeレーザー発生器（HeNe）は、75％以上のHeと15％以下のNeの混合物を増幅媒体として使用します。作業環境に応じて、緑色（543.5nm）、黄色（594.1nm）、オレンジ色（612.0nm）、赤色（632.8nm）、および3種類の近赤外光（1152nm、1523nm、3391nm）を放射できます。そのうち、赤色光（632.8nm）が最も一般的に使用されます。HeNeレーザー発生器によるビーム出力はガウス分布を持ち、ビーム品質は非常に安定しています。パワーは高くありませんが、精密測定の分野で優れた性能を発揮します。
一般的な希ガスレーザー発生器はアルゴンイオン（Ar+）とクリプトンイオン（Kr+）です。そのエネルギー変換率は最大0.6％に達し、30〜50Wの電力を長時間連続して安定的に出力でき、寿命は1000時間を超えます。主にレーザーディスプレイ、ラマン分光法、ホログラフィー、非線形光学などの研究分野、医療診断、印刷色分解、計測材料処理、情報処理などに使用されています。
金属蒸気レーザー発生器は銅蒸気を例に挙げます。銅蒸気レーザー発生器は主に緑色光（510.5nm）と黄色光（578.2nm）を出力し、平均出力は100W、ピーク出力は100kwに達します。主な応用分野は色素レーザー発生器のポンプ光源です。また、高速フラッシュ撮影、大画面プロジェクションテレビ、材料加工にも使用できます。
窒素分子レーザー発生器は、窒素を増幅媒体として、337.1 nm、357.7 nm、315.9 nmの紫外線を放射し、ピークパワーは45kwに達します。有機色素レーザー発生器のポンプ光源として使用でき、同位体のレーザー分離、蛍光診断、超高速撮影、汚染検出、医療および健康管理、農業育種にも広く使用されています。波長が短いため、焦点を絞って小さなスポットを得るのが容易であるため、サブミクロンの部品の加工にも使用できます。
使用される増幅媒体は CO2 レーザー発生器は二酸化炭素とヘリウムと窒素を混合したもので、9.6μmと10.6μmの波長を中心とした遠赤外線を出力します。この発生器はエネルギー変換率が高く、出力は数ワットから数万ワットの範囲で、非常に高いビーム品質により、 CO2 レーザージェネレーターは、材料加工、科学研究、国防、医療に広く使用されています。 CO2 レーザーカッター と レーザー彫刻 日常生活やビジネスにおける木材、MDF、合板、布地、皮革、ガラス、プラスチック、アクリルの彫刻や切断に。
エキシマーは不安定な分子で、共振器内にさまざまな希ガスとハロゲンガスの混合物が充填され、さまざまな波長のレーザーを生成します。励起は通常、相対論的電子ビーム（エネルギーが 200 keV を超える）または横方向の高速パルス放電によって行われます。励起状態のエキシマーの不安定な分子結合が破壊され、基底状態の原子に解離すると、励起状態のエネルギーがレーザー放射の形で放出されます。医療、光通信、半導体ディスプレイ、リモートセンシング、レーザー兵器などの分野で広く使用されています。
化学レーザー発生器は、化学反応によって放出されるエネルギーを利用して粒子数の反転を実現する特殊なタイプのガスレーザーシステムです。そのほとんどは分子遷移モードで動作し、典型的な波長範囲は近赤外線から中赤外線のスペクトル領域にあります。最も重要なのは、フッ化水素 (HF) とフッ化重水素 (DF) デバイスです。前者は 15 ミクロンから 2.6 ミクロンの間で 3.3 以上のスペクトル線を出力でき、後者は 25 ミクロンから 3.5 ミクロンの間で約 4.2 のスペクトル線を出力できます。両方のデバイスは現在、マルチメガワットの出力が可能です。その巨大なエネルギーのため、原子力工学と軍事分野で一般的に使用されています。
色素レーザージェネレータ
色素レーザー発生器は、レーザー媒体として有機色素 (通常は液体溶液) を使用します。 色素レーザー発生器は、一般に、気体レーザー媒体や固体レーザー媒体よりも幅広い波長で使用できます。 帯域幅が広いため、特に調整可能なパルスレーザー発生器に適しています。 ただし、媒体寿命が短く、出力が限られているため、基本的にはチタン サファイアなどの波長可変固体レーザーに置き換えられています。
ダイオードレーザージェネレータ
ダイオードレーザー発生器は、半導体材料を作業物質として使用するレーザーシステムです。励起モードには、電気注入、電子ビーム励起、光ポンピングの3つがあります。小型、低価格、高効率、長寿命、低消費電力で、電子情報、レーザー印刷、レーザーポインター、光通信、レーザーテレビ、小型レーザープロジェクター、電子情報、集積光学などの分野で使用できます。
ファイバーレーザージェネレーター
ファイバーレーザージェネレーターは、希土類元素をドープしたガラスファイバーをゲイン媒体として使用するレーザーシステムの一種です。金属および非金属の印刷、マーキング、彫刻、穴あけ、切断、洗浄、溶接（ろう付け、水焼入れ、クラッディング、深溶接）、軍事、防衛およびセキュリティ、医療機器、大規模インフラストラクチャ、および他のレーザーソースのポンプとして広く使用されています。 ファイバーレーザー彫刻機 パーソナライズされたテキストとパターン ファイバーレーザーカッター 金属加工用、 ファイバーレーザー洗浄機 錆取り、塗装剥離、コーティング除去用 ファイバーレーザー溶接機 あなたの生活の中の金属ジョイントのために。
自由電子レーザー発生装置
自由電子レーザー発生器は、従来のレーザー発生器とは異なる新しいタイプの高出力コヒーレント放射源です。作業物質としてガス、液体、固体を必要とせず、高エネルギー電子ビームの運動エネルギーをコヒーレント放射エネルギーに直接変換します。したがって、自由電子レーザー発生器の作業物質は自由電子であると考えることもできます。高出力、高効率、広範囲の波長調整、超短パルスの時間構造など、一連の優れた特性を備えています。これ以外に、これらの特徴を同時に備えたレーザー発生器はありません。物理学研究、レーザー兵器、レーザー核融合、光化学、光通信の分野で大きな可能性を秘めています。
参考文献
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