5 grundlegende Lasertypen und ihre Anwendungen

Seit ihrer Entdeckung in den 1960er Jahren hat sich die Lasertechnologie kontinuierlich weiterentwickelt und ist zu einem festen Bestandteil der Branche geworden. Abhängig von ihrem Verstärkungsmedium werden Laser in fünf Haupttypen unterteilt. In diesem Leitfaden erfahren Sie mehr über diese Lasertypen, ihre Arbeitsweise und verschiedene praktische Anwendungen.

Was ist ein Laser? 

Laser steht für Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Laser verstärken die Intensität des Lichts und erzeugen stark gerichtete Strahlen, die stark genug sind, um die Metalloberflächen zu durchschneiden. Darüber hinaus können diese Lichtstrahlen kilometerweit in den Himmel fliegen. 

Ein Laserstrahl unterscheidet sich von einem Lichtstrahl, der kohärent, kollimiert und monochromatisch ist. Um die Funktionsweise eines Lasers besser zu verstehen, müssen wir seine Komponenten kennen. Laser hat die folgenden Hauptelemente: 

1. Energiequelle: It pumpt das Licht in ein Verstärkungsmedium, auch Pumpquelle genannt. Die Energiequelle variiert je nach Lasertyp und kann eine Blitzlampe, ein anderer Laser, eine chemische Reaktion oder eine elektrische Entladung sein. Eine Pumpquelle ist für die Besetzungsumkehr verantwortlich, da sie die Moleküle oder Atome von tiefer nach höher pumpt Energie. 
2. Mittel gewinnen: Dies ist die Hauptbestandteil des Lasers, wo die Laserwirkung auftritt. Es ist auch als aktives Medium oder LASER-Medium bekannt. Das Verstärkungsmedium bestimmt die Wellenlänge nach einem Laserstrahlung. Das LASER-Medium kann Gase, flüssige Farbstoffe, feste Kristalle und Halbleiter enthalten.
3. Resonator: Der Resonator nutzt die Spiegel, um die optische Verstärkung des Verstärkungsmediums zu steigern. Es werden zwei Arten von Spiegeln verwendet, darunter ein teilweise reflektierender Spiegel und ein stark reflektierender. 

Nachdem wir Laser im Detail besprochen haben, werden wir uns jetzt mit verschiedenen Arten davon befassen.

I. Faserlaser 

Faserlaser wurden erstmals in den 1960er Jahren eingeführt, ihre kommerzielle Nutzung begann jedoch erst in den 1990er Jahren. Seitdem hat sich die Faserlasertechnologie weiterentwickelt und ihre Effizienz und Anwendungsmöglichkeiten nehmen zu. 

Definition und Grundstruktur 

Faserlaser sind eine Kategorie von Festkörperlasern, die optische Fasern als aktives Verstärkungsmedium verwenden. Diese Laser verwenden a Phosphatglas oder Silikatfaser das Rohlicht von der Pumpquelle absorbiert. Anschließend wird dieses Licht in einen Laserstrahl einer bestimmten Wellenlänge umgewandelt.  

Wie funktioniert Faserlaser? 

Erstens eine Energiequelle wird zur Erzeugung von Pumplicht verwendet. Bei Faserlasern wird meist Strom als Energiequelle genutzt, der dann mithilfe von Pumplaserdioden in Lichtenergie umgewandelt wird. Dann ein Koppler verbindet das Licht aus mehreren Ressourcen und wandelt es in eine einzige Quelle um. Nachdem das Licht in einer einzelnen Laserdiode gesammelt wurde, wird es auf das Verstärkungsmedium übertragen. 

Im nächsten Schritt Das Pumpenlicht geht aus durch die optische Faser, die aus dem Kern (lichtführender Teil) und dem Mantel (dem den Kern umgebenden Material) besteht. Schließlich erreicht das Licht den dotierten Faserteil, den sogenannten Laserhohlraum. 

In der Laserkavität werden seltene Erdelemente verwendet regen die Elektronen an auf ein höheres Energieniveau. Dies wird so lange durchgeführt, bis eine Populationsinversion erreicht ist. Es ist ein Stadium, in dem sich mehr Elektronen als normal in einem angeregten Zustand befinden. Dabei werden Elektronen angeregt und wieder angeregt, bis ein gleichmäßiger Fluss von Rohlaserlicht erreicht wird. Das Das Licht wird noch weiter verfeinert für den Einsatz in verschiedenen Anwendungen. 

Faserlaser sind energieeffizient, unglaublich stabil und einfach zu warten. Diese sind auch bei komplexen Designs äußerst präzise. Jedoch, Faserlaserschneiden erfordert geeignete Sicherheitsprotokolle und seine Anwendungen sind auf nichtmetallische Materialien beschränkt.  

Bildquelle: laser.llnl.gov

Beispiele 

• Erbiumdotierte Faserlaser 
• Thuliumdotierte Faserlaser
• Ytterbiumdotierte Faserlaser 

Anwendungen 

Faserlaser erzeugen eine Vielzahl von Wellenlängen, also haben sie Mehrfachanwendungen. Diese können die Metalle effektiv reinigen; Dieser Vorgang ist bekannt als Metallreinigung und kann an verschiedene Parameter der Produktionslinie angepasst werden. 

Darüber hinaus haben diese Laserbeschriftung Anwendungen und helfen, Kunststoffe und Metalle dauerhaft mit kontrastreichen Markern zu markieren. Faserlaser werden nicht nur zum Markieren, sondern auch zum Gravieren, Ätzen usw. verwendet Glühen. 

Was ist mehr? Faserlaser bewältigen selbst komplexe Schnitte mit beeindruckender Kantenqualität; Daher sind sie die beste Option für Laser schneiden. Dadurch konnten Werkzeugkosten eingespart und Rüst- und Ausfallzeiten reduziert werden. Darüber hinaus bieten Faserlaser hohe Präzision, Sicherheit und Genauigkeit in der diagnostischen Bildgebung und Chirurgie. 

II. Festkörperlaser 

Der Erste Festkörperlaser war die Rubinlaser, das aufgrund seines ausgeprägten dreistufigen Charakters weniger effektiv war. Später gewannen andere Festkörpermedien aufgrund ihrer besseren Leistung an Popularität. 

Wie der Name schon sagt, verwendet der Festkörperlaser ein festes Medium – ein kristallines Material oder ein Glas. Das feste Medium wird mit seltenen Erdelementen wie Erbium, Ytterbium, Chrom oder Neodym vermischt. 

Wie funktioniert ein Festkörperlaser? 

Bei Festkörperlasern Ionen werden eingebracht als Verunreinigungen des Wirtsmaterials. Diesen Vorgang nennt man Doping, also das Hinzufügen von Fremdkörpern zu einer bestimmten Substanz. Das im Festkörperlaser verwendete Wirtsmaterial könnte mit Neodym dotierter Yttrium-Aluminium-Granat, mit Neodym dotiertes Glas und mit Saphir oder Ytterbium dotiertes Glas sein. Zu den Dotierstoffen gehören Seltenerdmaterialien wie Chrom oder Erbium. 

Außerdem, Bogen- oder Blitzlampen werden in Festkörperlasern zum optischen Pumpen eingesetzt. Diese Pumpquellen sind günstig, haben aber eine mäßige Lebensdauer und eine geringe Energieeffizienz. Allerdings a Laserdiode wird verwendet für diodengepumpter Festkörper (DPSS)-Laser. Diese haben die Fähigkeit, hohe Kräfte zu erreichen und gleichzeitig einen guten Zustand aufrechtzuerhalten Strahlqualität. 

Festkörperlaser sind einfach, wirtschaftlich und hocheffizient. Diese haben eine vergleichsweise einfachere Konstruktion als andere Typen und es geht nur eine geringe Menge Material im Verstärkungsmedium verloren. Die Leistung von Festkörperlasern könnte sowohl gepulst als auch kontinuierlich sein. Allerdings ist die Effizienz von Festkörperlasern vergleichsweise geringer als die von Kohlendioxidlasern. 

Beispiele 

Zu den gängigen Beispielen für Festkörperlaser gehören: 

• Ti: Saphirlaser 
• Nd: Glaslaser (Neodymglas) 
• YB: YAG-Laser (Ytterbium-dotierter Yttrium-Aluminium-Granat) 
• Nd: YAG Laser (Neodym-dotiertes Yttrium-Aluminium-Granat) 

Anwendungen 

Festkörper-Materiallaser helfen dabei, Löcher in die Metalle zu bohren. Diese bieten Flexibilität bei mehreren Lochbildungsvorgängen und sind effektiver als herkömmliche Methoden.

Außerdem sind, Laserbohren ist wirtschaftlich und verfügt über eine hohe Genauigkeit und hohe Geschwindigkeit. Diese Laser werden im Militär eingesetzt, um das Zielsystem anzuvisieren. Außerdem werden diese Laser in kalibrierten physikalischen Instrumenten wie Seismographen verwendet. 

Darüber hinaus helfen Festkörperlaser bei der Entfernung von Gewebeabtragungen, Tätowierungen, Haaren und Nierensteinen. Diese werden in RGB-Lichtquellen (Rot-Grün-Blau) in Laserprojektoren und Druckern verwendet. Darüber hinaus haben Festkörperlaser das Potenzial, in der Kernfusion eingesetzt zu werden. 

III. Gaslaser 

Gaslaser unterscheidet sich von den anderen Lasertypen funktioniert nach dem Prinzip elektrische Energie in Lichtenergie umzuwandeln. Außerdem gibt es unterschiedliche Arten von Gaslasern. Die Art des Gases, das zur Entwicklung des Lasermediums verwendet wird, entscheidet über die Effizienz und Wellenlänge des Lasers. 

Definition und Grundstruktur 

Gas wird als aktives Medium in Gaslasern verwendet. Zu den üblichen Gasen, die für diesen Zweck verwendet werden, gehören Kohlendioxid, Xenon, Wasserstoff, Fluor, Krypton, Argon, Neon und Helium. 

Gasmedien können sein effizienter gepumpt als feste Medien, So haben Gaslaser eine bessere Strahlqualität und erzeugen hohe Leistungsdichten. Gängige Arten von Gaslasern sind Helium-Neon-Laser, Kohlendioxidlaser und Argonionenlaser.  

Wie funktioniert ein Gaslaser? 

Bildquelle: science.com

Erstens Gasartikel sind aufgeregt durch eine elektrische Entladung in einen höheren Energiezustand versetzt. Die angeregten Atome sind in einen Zustand niedrigerer Energie abgebaut durch Emission von Photonen. Wenn diese Photonen auf ein angeregtes Atom treffen, regen sie die Atome an, mehr Photonen derselben Phase, Richtung und Energie zu emittieren. 

Diese Photonen werden zwischen den Spiegeln hin und her bewegt und bilden einen Resonanzhohlraum. Bei diesem Vorgang wird Licht verstärkt, wodurch letztendlich Laserstrahlen entstehen. Gaslaser erzeugen einen qualitativ hochwertigen Strahl, verfügen über eine hervorragende räumliche Kohärenz und bieten ein breites Spektrum an Ausgangswellenlängen.

Allerdings benötigen Gaslaser eine Hochspannungs-Gleichstromversorgung und aus den Gasen werden schädliche Chemikalien freigesetzt, die bei den Mitarbeitern zu Haut- und Augenverletzungen führen können. 

Beispiele 

• Excimer-Laser
• Krypton-Laser 
• Argonlaser 
• Helium-Neon-Laser 
• Kohlendioxidlaser 

Anwendungen

Gaslaser erfüllen vielfältige Zwecke in Bereichen von der wissenschaftlichen Forschung über die Medizin bis hin zur Telekommunikation. Diese verfügen über eine hervorragende Strahlqualität und werden in der Glasfaserkommunikation eingesetzt. HeNe-Laser werden aufgrund ihres sichtbaren roten Strahls und ihrer relativen Sicherheit in Lehr- und Labordemonstrationen eingesetzt. 

Darüber hinaus werden diese in Experimenten wie Teilchenbeschleunigung, Holographie, Verschmutzungsmessungen und Spektroskopie eingesetzt. Gaslaser werden bei verschiedenen Hautbehandlungen und Augenoperationen eingesetzt. CO2-Gaslaser erweisen sich bei zahlreichen Aufgaben der Metallbearbeitung als praktisch Schneiden, Gravieren und Schweißen. Aufgrund ihrer hohen Absorption im Wasser werden CO2-Laser zur Entfernung von Tumoren, Muttermalen und Warzen eingesetzt. 

IV. Farbstofflaser

Farbstofflaser kann Laser jeder Frequenz im nahen ultravioletten, sichtbaren und infraroten Bereich erzeugen; daher sind sie bekannt als abstimmbare Laser. Diese haben vielfältige Einsatzmöglichkeiten in verschiedenen Bereichen. 

Definition und Grundstruktur 

Farbstofflaser, auch Flüssigkeitslaser genannt, verwenden einen organischen Farbstoff als Verstärkungsmedium. Eines ihrer Hauptmerkmale ist, dass sie Die Wellenlänge kann während der Operation gesteuert werden. Die in Flüssigkeitslasern am häufigsten verwendeten Farbstoffe sind Natriumfluorescein, Rhodamin 6G oder Rhodamin B.

Wie funktioniert der Farbstofflaser? 

Wie oben erwähnt, ist das aktive Medium des Flüssigkeitslasers ein organischer Farbstoff. Gleichzeitig könnten die darin verwendeten Lösungsmittel Ethylenglykol, Alkohol oder Wasser sein. Erstens, die Der Farbstoff wird aus dem Vorratstank in das Kapillarrohr gepumpt. Der Farbstoff verlässt die Röhre mit einer Blitzlampe und der Ausgangsstrahl wird mithilfe eines Brewster-Fensters zum Ausgangskoppler bewegt. 

Der Ausgangskoppler ist ein 50 % reflektierender Spiegel Dabei variiert die Ausgangswellenlänge stark und die maximale Ausgangsleistung von 618 nm Kann erreicht werden. Farbstofflaser sind in sichtbarer Form erhältlich, haben eine hohe Ausgangsleistung, einen geringeren Strahldurchmesser und eine geringere Divergenz.

Die variablen Wellenlängenbereiche können durch Farbstofflaser erzeugt werden und werden für vielfältige Funktionen im medizinischen Bereich eingesetzt. Dennoch sind Farbstofflaser teuer und haben eine hochkomplexe chemische Formel.

Beispiele 

• Jet-Dye-Laser
• Flüssigstickstofflaser 
• Rhodamin 6G Farbstofflaser 
• Farbstoffdotierter Polymerlaser 
• Aromatischer Kohlenwasserstoff-Farbstofflaser 

Anwendungen 

Die Farbstofflaserbehandlung behandelt Körpernarben, einschließlich Muttermale wie Portweinflecken, Besenreiser im Gesicht usw. Ein lang gepulster Farbstofflaser hilft bei der Behandlung von Rötungen und feinen Linien. Bei der Isotopentrennung werden abstimmbare Laser eingesetzt. Darüber hinaus werden organische Farbstofflaser in den biomedizinischen Wissenschaften, der Holographie und der Spektroskopie eingesetzt. 

Diese Laser können bestimmte Moleküle anregen und helfen daher Molekularwissenschaften zur Untersuchung der Eigenschaften von Molekülen. Zusammen mit Festkörperlasern in nichtlinearen Kristallen erzeugen Farbstofflaser Licht kürzerer Wellenlängen wie UV. Darüber hinaus werden diese in der Photochemie eingesetzt, wo eine bestimmte Wellenlänge benötigt wird, um eine Reaktion zu starten oder zu katalysieren.

V. Halbleiterlaser (Diodenlaser). 

Halbleiterlaser sind kostengünstiger, effizienter und verbrauchen weniger Strom als andere Lasersysteme. Diese Laser verfügen über einzigartige Funktionen wie monochromatischer Charakter, kleine Lichtfleckgröße und hohe Lichtdichte. Aufgrund dieser Eigenschaften erfreuen sich Diodenlaser zunehmender Beliebtheit im Energie- und Medizinbereich. 

Definition und Grundstruktur 

Laserdioden haben wie normale Dioden auch positiv-negativ geladene Übergänge (PN). Allerdings ist die intrinsische Schicht des Die Laserdiode wird poliert, um die spontane Emission zu erzeugen. Da die intrinsische Schicht poliert ist, werden erzeugte Photonen verstärkt und der elektrische Strom in Laserlicht umgewandelt. 

Halbleiterlaser dienen wichtigen medizinischen Zwecken, da sie bei zahnärztlichen Eingriffen, der Dermatologie und Augenchirurgie eingesetzt werden. Darüber hinaus werden diese häufig in Laserscannern, Druckern, Barcode-Lesegeräten usw. eingesetzt. 

Wie funktioniert ein Halbleiterlaser (Diodenlaser)? 

Das aktive Medium des Halbleiterlasers ist das in Durchlassrichtung vorgespannte PN-Sperrschichtdiode. An diesem Übergang weist ein Halbleiter vom n-Typ überschüssige Elektronen auf, während ein Halbleiter vom p-Typ überschüssige Löcher aufweist. Es wird eine Durchlassspannung angelegt, die Elektronen und Löcher in die Verbindungsstelle drückt, wo sie sich anziehen und kollidieren. Bei diesem Vorgang entstehen Rekombinationsstrahlungen. 

Die überschüssige Energie wird in Form von Photonen freigesetzt, die die Elektron-Loch-Rekombination weiter anregen und letztendlich Laserlicht erzeugen. 

Diese Laser haben eine Längere Lebensspanne, niedrige Wartungskostenund vergleichsweise sicherer Betrieb. Außerdem verbrauchen diese Geräte nur wenig Strom und arbeiten im Niederspannungs-Konstantstrommodus. Ein Nachteil sind Halbleiterlaser empfindlich gegenüber Temperaturschwankungenund ihr Ausgangslaserstrahl ist nicht schmal.

Beispiele 

• Quantenkaskadenlaser 
• Kantenemittierende Laserdiode 
• Externer Hohlraumdiodenlaser (ECDL) 

Anwendungen 

Halbleiterlaser werden in CD- und DVD-Playern zum Lesen und Schreiben von Daten eingesetzt. Darüber hinaus helfen diese bei der forensischen und biomedizinischen Diagnostik. Halbleiterlaser werden eingesetzt in Barcode-Scanner als auch Laserdrucker. Darüber hinaus sind sie bei verschiedenen Arten der Spektroskopie zur Materialcharakterisierung und chemischen Analyse nützlich. 

Dioden sind wichtige Lichtquellen für die Glasfaserkommunikation. Hochleistungsdioden helfen beim Laserschneiden und -schweißen. In der Medizin werden diese zur Behandlung bestimmter Hauterkrankungen, zur Zahnaufhellung und bei Weichteiloperationen eingesetzt. Darüber hinaus fungieren Diodenlaser als Pumpquelle für bestimmte Typen wie Festkörperlaser.

Vergleich von 5 verschiedenen Lasertypen 

Jeder Lasertyp hat eine andere Ausgangsleistung, Wellenlänge, Verwendung und andere Eigenschaften. Wir haben uns überlegt, diese Informationen in tabellarischer Form für Sie zusammenzustellen.

Wie wählen Sie den richtigen Laser für Ihr Projekt aus?

Bei der Auswahl des geeigneten Lasers für Ihr Projekt müssen mehrere Faktoren berücksichtigt werden:

1. Bewerbungsvoraussetzungen: Identifizieren Sie die spezifischen Aufgaben, die Sie mit dem Laser ausführen müssen, z. B. Schneiden, Schweißen, Gravieren oder medizinische Anwendungen. Verschiedene Lasertypen (CO2, Faser, Diode etc.) eignen sich für unterschiedliche Aufgaben.
2. Materialverträglichkeit: Stellen Sie sicher, dass der Laser mit den Materialien kompatibel ist, mit denen Sie arbeiten möchten, unabhängig davon, ob es sich um Metalle, Kunststoffe, Holz oder andere Substanzen handelt. Einige Laser sind bei bestimmten Materialien effektiver als bei anderen.
3. Kraft und Präzision: Bestimmen Sie die für Ihr Projekt erforderliche Leistungsstufe und Präzision. Laser mit höherer Leistung eignen sich zum Schneiden dickerer Materialien, während Laser mit niedrigerer Leistung besser für detaillierte, filigrane Arbeiten geeignet sind.
4. Budget und Wartung: Berücksichtigen Sie Ihr Budget, einschließlich der Anschaffungskosten und der langfristigen Wartungskosten. Bei einigen Lasern sind die Vorabkosten möglicherweise höher, aber der Wartungsbedarf geringer, während andere anfangs möglicherweise günstiger sind, aber mehr Wartung erfordern.

Durch die Bewertung dieser Faktoren können Sie den Laser auswählen, der die Anforderungen Ihres Projekts am besten erfüllt und eine optimale Leistung gewährleistet.

FAQ

1. Welcher Laser wird zum Laserschneiden verwendet?
Aufgrund ihrer hohen Leistung und Effizienz werden beim Laserschneiden CO2- und Faserlaser eingesetzt. CO2-Laser eignen sich hervorragend zum Schneiden nichtmetallischer Materialien wie Holz und Kunststoff, während Faserlaser ideal zum präzisen Schneiden von Metallen geeignet sind.

2. Welcher Laser wird zum Laserschweißen verwendet?
Bevorzugt werden Faserlaser eingesetzt Laserschweißen denn sie bieten eine konzentrierte Wärmequelle und eine präzise Steuerung, die insbesondere bei Metallen für starke und saubere Schweißnähte sorgt.

3. Welcher Laser wird für die Lasergravur verwendet?
Für die Lasergravur werden Dioden- und CO2-Laser verwendet, da sie eine feine Kontrolle für detaillierte Arbeiten bieten. CO2-Laser sind vielseitig für verschiedene Materialien geeignet, während Diodenlaser effizient zum Markieren und Gravieren auf Metallen und Kunststoffen geeignet sind.

Schlussfolgerung  

Die Lasertechnologie entwickelt sich ständig weiter und es werden immer mehr Typen eingeführt, die neue Möglichkeiten eröffnen. Da sich die Lasertechnologie weiter verbessert, werden wir neue Fortschritte auf dem Gebiet der Wissenschaft und Medizin erleben.

Jeder Lasertyp hat seine besonderen Vorteile, Nachteile und Anwendungen. Egal, ob Sie ein Student sind, der sich über verschiedene Lasertypen informieren möchte, oder ein Geschäftsmann, der sich darauf freut, die Leistungsfähigkeit der Lasertechnologie zu nutzen, dieser Leitfaden wird Ihnen helfen!

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Die Lasertechnologie ist umfangreich und macht es schwierig, sich für die für Sie am besten geeignete Option zu entscheiden. Es gibt keine Einheitslösung, die für alle passt. Geben Sie sich also nicht mit weniger zufrieden. Lassen Baison Lassen Sie sich beraten und helfen Sie bei der Auswahl des RICHTIGEN Lasersystems, das Ihren individuellen Anforderungen entspricht. Wir bieten umfassende Auswertungen in Laserbeschriftung, Reinigung, Laserschneiden und Schweißen in einem Platz.