Лазеры и их виды
Лазером называется источник света, отличающийся своими свойствами от ламп накаливания, пламени, естественных источников. Свойства лазерного луча действительно уникальны — он способен строго прямолинейно распространяться на значительное расстояние.
Расходимость пучка лазерного света очень мала, расстояние до Луны он преодолевает с фокусировкой за сотни метров. Теплота лазерного луча позволяет пробивать отверстия практически во всех известных материалах, а по своей световой интенсивности он превосходит все известные источники света.
Название лазер образовано от английской аббревиатуры LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation), что в переводе на русский язык означает «усиление света с помощью вынужденного излучения».
В зависимости от типа активной среды все лазеры делятся на несколько групп:
- твердотельные;
- жидкостные;
- газовые;
- полупроводниковые.
Используемая активная среда — это совокупность элементарных частиц либо кристаллов, приобретающих усиливающие свойства под воздействием света. Атомы имеют определенный дискретный набор энергетических уровней, на которых располагаются электроны в состоянии с минимальной энергией. При воздействии света на атом электроны начинают перемещаться на более высокие уровни, за счет чего частица переходит в возбужденное состояние. При излучении квантов света происходит обратная реакция. Переход электронов на более низкие уровни при излучении света может быть как спонтанным, так и вынужденным, под влиянием внешнего воздействия.
При спонтанном излучении кванты распространяются в случайном направлении. При вынужденном излучении кванты начинают испускаться в том направлении, что и квант, стимулировавший излучение.
Повышенная концентрация атомов в возбужденном состоянии позволяет увеличить количество переходов электронов на нижние энергетические уровни, сопровождающихся излучением энергии. Таким образом, создается инверсная населенность, приводящая к усилению света. В свою очередь, вещество в состоянии инверсной населенности переходит в активное состояние, а среда, состоящая из этого вещества, становится активной средой.
Создание инверсной населенности энергетических уровней атомов вещества получило название накачка. Она может осуществляться различными способами, по которым также выделяются различные виды лазеров:
- оптический;
- тепловой;
- химический;
- электрический и так далее.
Способ накачки выбирается в зависимости от типа лазера.
Задачи накачки
Все активные атомы первоначально находятся на нижнем лазерном уровне, являющемся основным энергетическим уровнем. Под воздействием накачки атомы переходят в возбужденное состояние и перемещаются на уровень три, обладающий большей энергией. Там атомы выделяют кванты света, вновь возвращаясь на первый либо на второй лазерный уровень. При этом, чтобы на втором уровне накапливались возбужденные атомы, необходимо создать релаксацию атомов, превышающую скорость распада энергетического уровня. При соблюдении этих требований инверсная населенность позволяет создать необходимые для усиления излучения условия.
Для возникновения генерации обеспечивается обратная связь, благодаря чему один акт вынужденного излучения не вызывает новые акты. Этот процесс обеспечивается с помощью оптического резонатора, в который помещается активная среда.
Оптический резонатор — это система из двух зеркал, между которыми помещается активная среда лазера. Световые волны многократно проходят через резонатор, распространяясь вдоль оси и обеспечивая высокую мощность излучения. По достижении необходимой мощности часть излучения выходит из резонатора через поверхность полупрозрачного зеркала. При этом в процессе генерации участвуют только кванты, параллельные оси резонатора. Как правило, КПД лазера составляет 1%. При необходимости этот показатель можно увеличить до 30%, но это потребует отказаться от тех или иных характеристик.
Для увеличения скорости выполнения Вашего заказа на лазерную резку просим Вас придерживаться следующих рекомендаций.
Лазер
Лазер (от англ. laser , акроним от Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation — «Усиление света посредством вынужденного излучения»), или оптический квантовый генератор — это устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения [1] .
По сути лазер — это оптический квантовый генератор, т.е. устройство, которое преобразует энергию накачки (которая в него вводится: химическая, световая, тепловая, электрическая) в энергию монохроматичного, когерентного и узконаправленного излучения. Физической основой работы лазера служит квантовомеханическое явление вынужденного (индуцированного) излучения.
Свойства и особенности лазеров разные, они могут быть непрерывными и импульсными, мощными и работающими в широкополосном диапазоне. Все эти особенности обуславливаются типом и методом накачки лазера.
Типы лазеров
По агрегатному состоянию активной среды лазеры делятся на три основных типа:
При этом существуют некоторые типы лазеров, которые в силу своих особенностей на данный момент выделяются в отдельную категорию. Например, волоконные лазеры. Несмотря на то, что он относится к твердотельным лазерам, о нём говорят, как об отдельном типе. Такая же ситуация и с полупроводниковыми (диодными) лазера. Когда они только появились о них говорили, как об отдельном типе.
Основа работы лазера
Физической основой работы лазера служит квантово-механическое явление вынужденного (индуцированного) излучения. Излучение лазера может быть непрерывным, с постоянной мощностью, или импульсным, достигающим предельно больших пиковых мощностей. В некоторых схемах рабочий элемент лазера используется в качестве оптического усилителя для излучения от другого источника.
Устройство лазера
Лазер состоит из трех элементов — рабочее тело (рабочая среда), механизм накачки и оптический резонатор. Они определяют тип лазера и то, чего вы можете достичь с его помощью.
1. Рабочее тело (рабочая среда)
В рабочей среде лазера генерируются фотоны. Это излучение происходит через оптические переходы в возбужденных атомах или молекулах.
2. Механизм накачки
Оптическая накачка — это процесс, с помощью которого вы добавляете энергию в среду.
3. Оптический резонатор
С помощью оптического резонатора вы определяете скорость излучения и свойства фотонов.
Классификация лазеров
Существующие лазеры делятся на виды по активному элементу на [2] :
По мощности генерируемого излучения лазеры разделяют на:
2. средней мощности;
По длине генерируемой световой волны лазеры разделяют на:
2. ультрафиолетовые видимого спектра;
3. ближнего инфракрасного спектра;
Применение лазеров
В силу уникальных свойств излучения лазеров, они широко применяются во многих отраслях науки и техники, а также в быту (проигрыватели компакт-дисков, лазерные принтеры, считыватели штрих-кодов, лазерные указки и пр.) [3] .
В медицине лазеры применяются как бескровные скальпели, используются при лечении офтальмологических заболеваний (катаракта, отслоение сетчатки, лазерная коррекция зрения и др.).
Литература
- ↑Макаров Д.Лазер. Устройство, принцип работы, свойства, применение лазера(неопр.) . https://www.asutpp.ru/. Дата обращения: 2023.05.19.
- ↑Классификация лазеров(неопр.) . https://photogrammetria.ru/ (2017.06.07). Дата обращения: 2023.05.19.
- ↑Виды лазеров: 4 метода классификации(неопр.) . https://www.stankoff.ru/. Дата обращения: 2023.05.19.
Лазеры в медицине: типы и применение
В последнее время в различных областях медицины: хирургии, стоматологии, дерматологии, эстетической медицине и др. большое значение приобретают лазеры: с их помощью проводят хирургические вмешательства, устраняют несовершенства и новообразования кожи, удаляют татуировки, пигментацию, проводят множество других операций разной сложности и продолжительности. Использование лазера позволяет проводить различные операции с минимальным травматизмом, значительно быстрее и комфортнее, чем традиционными инструментами, а также значительно снижает время реабилитации пациента. При этом качество аппарата, его соответствие современным критериям и той операции, для которой он используется, неизбежно влияет на результат. Правильно выбранный лазер в умелых руках может решить даже очень серьёзные проблемы, тогда как использование неподходящего аппарата и низкая квалификация хирурга, напротив, навредить. Рассмотрим, какие лазеры существуют и для чего применяются в современной медицине.
Виды и назначение медицинских лазеров
Все лазеры можно классифицировать по типу активной среды, длине волны и энергии излучения.
Газовые лазеры
- Газодинамические – их активной средой обычно является N2+CO2+He или N2+CO2+Н2О, а рабочим веществом CO2. Лучи, поглощаемые содержащейся в коже водой, способны удалять доброкачественные образования кожи, такие как ангиомы, бородавки, слизистые кисты, ксантелазмы, лейкоплакии. Также лазеры этого типа используют для омоложения кожи. С их помощью можно производить и хирургические разрезы;
- Эксимерные – активной средой лазеров являются димеры – двухатомные молекулы – благородных газов (ксенона, аргона, криптона), а также их соединения. Энергетические характеристики их высоки. Длина волны составляет от 190 до 350 нм, существует возможность её плавной перестройки. Лазерные лучи связываются с молекулами воды и белка. Основное назначение лазеров – лечение витилиго и псориаза.
Твердотельные лазеры
Активной средой для них выступают диэлектрические кристаллы и стёкла. Есть три режима работы таких лазеров: импульсный, непрерывный, квазинепрерывный.
Выделяют следующие типы твердотельных лазеров:
- Рубиновые – они первыми стали применяться в медицине. Активной средой служат ионы хрома в оксиде алюминия. Длина волны составляет 694 нм. Обладают сильным поглощением лучей в меланине и чёрно-синих чернильных пигментах, что позволяет с успехом применять их для удаления татуировок, пигментных поражений кожи. Также их используют в лазерной эпиляции;
- Nd: YAG (неодимовые лазеры) – активной средой является неодим в иттрий-алюминиевом гранате. Длина волны составляет 1064 нм. Отличаются большим поглощением в меланине и гемоглобине. У них широкий спектр применений в эстетической медицине: лечение акнэ, лазерное фотоомоложение, лазерная хирургия кожи – удаление с неё образований, таких как родинки и бородавки, – а также эпиляция. Кроме того, они применяются в лечении заболеваний вен;
- Q Switched Nd: YAG – тип неодимовых лазеров, отличающихся большим поглощением в тёмных чернильных пигментах и применяемых в основном для удаления татуировок;
- Er: YAG (эрбиевые лазеры) – для генерации луча используется эрбий в иттрий-алюминиевом гранате. Длина волны составляет 2940 нм. Излучение поглощается содержащейся в коже водой, а основное назначение таких аппаратов – удаление образований кожи, её шлифовка и омоложение;
- Калий-титанил-фосфатный (KTP)-лазер – это неодимовый лазер на втором этапе излучения с длиной волны 532 нм. Излучение поглощается гемоглобином и меланином. Прибор применяется для устранения сосудистых и пигментных поражений кожи;
- Александритовые лазеры – импульсные лазеры с длиной волны 755 нм, которые применяются для удаления чёрных, синих, зелёных татуировок и пигментации, такой как при меланодермии;
- Ho: YAG (гольмиевый лазер на алюмоиттриевом гранате) – активная среда этого лазера – кристалл гольмия. Излучение хорошо поглощается тканями тела, при этом риск тепловых травм сведён к минимуму. Эти устройства применяются как хирургические лазеры во множестве областей медицины, в том числе в гинекологии, урологии, офтальмологии и дерматологии.
Полупроводниковые лазеры
Эти твердотельные лазеры выделяют в отдельную группу, поскольку у них другой механизм генерации луча. Их основное назначение – лазерная хирургия кожи и фотодинамическая терапия.
Жидкостные лазеры
Активной средой для них являются красители – органические соединения в растворе (в его роли часто выступает родамин). Обладают большой энергией лазерного излучения. Поглощаются гемоглобином и меланином. Основное назначение – лечение сосудистых заболеваний и неаблятивное омоложение кожи.
Отличительной особенностью и важным достоинством этих приборов является возможность регулирования длины волны в диапазоне от 400 до 800 нм. Работают в двух режимах: непрерывном и импульсном. Импульсы очень короткие, а интервалы между ними – длинные.
Диодные лазеры
Для генерации лазерного луча используется арсенид галлия. Длины волн можно настраивать от 800 до 980 нм.
Излучение поглощается меланином и гемоглобином, содержащимися в коже. А применяется прибор для лазерной эпиляции, фотоомоложения кожи и лечения заболеваний вен.
Фракционные лазеры
Особенностью этих лазеров является чёткая направленность: они воздействуют на микроскопические зоны и на определённую глубину. Поглощаются водой, содержащейся в коже. Длина волны – 1550 нм.
Лазеры используются для лечения разнообразных проблем кожи: угревой сыпи, повреждений солнцем, меланоза, – а также для уменьшения глубины морщин и шлифовки кожи.
Хочется напомнить, что качественный оригинальный лазер не может стоить дёшево, так как в его разработку и производство вложены большие средства. «Дешёвые» лазеры на рынке медицинского оборудования – это обыкновенно некачественные и даже опасные приборы, которые не стоит или попросту нельзя использовать в хирургии и эстетических процедурах.
Автор:
Филиппов Алексей Сергеевич врач онколог, хирург, маммолог, проктолог
Профиль специалиста на prodoctorov.ru
Дата публикации: 15 июля 2021
Виды лазеров: 4 метода классификации
Лазер известен как одно из четырех великих изобретений 20-го века, лазерный луч — это не свет, существующий в природе, а свет, изобретенный человеком на основе квантовой теории. От естественного света лазер отличают характеристики и процесс его генерации.
Лазер называют «самым быстрым ножом, самым ярким светом и самой точной линейкой»:
По сравнению с естественным светом лазер обладает такими характеристиками, как высокая интенсивность, хорошая монохроматичность, хорошая когерентность и хорошая направленность.
Лазер — это продукт атомного стимулированного излучения:
Возбужденный энергией источника накачки, атом может перейти в высокоэнергетическое состояние. В это время, если он столкнется с внешним фотоном с определенной частотой, он испустит идентичный фотон. Эти два фотона заставят больше атомов перейти и выпустить такой же фотон. Этот процесс называется стимулированным излучением, а генерируемый свет — «лазерным».
Частота, фаза, направление распространения и состояние поляризации фотонов, испускаемых стимулированным излучением, и посторонних фотонов абсолютно одинаковы, поэтому лазер имеет характеристики высокой интенсивности, хорошей монохроматичности, хорошей когерентности и хорошей направленности.
Схематическая диаграмма перехода на атомный энергетический уровень
Схематическая диаграмма процесса стимулированного излучения
Особенности лазеов:
- Хорошая направленность;
- Хорошая монохроматичность;
- Высокая мощность;
- Высокая когерентность.
Популярные модели лазерных станков:
Рабочая зона 1500х3000 мм. Источник 2000 Вт Raycus. Резка нержавеющей стали до 8 мм, углеродистой стали до 16 мм.
Узнайте цену
Размеры рабочего стола: 1600 х 1600 мм. Мощность трубки 180 Вт. Ресурс 10 000 моточасов. Потребляемая мощность 4 кВт. Вес 700 кг
Узнайте цену
Рабочий стол 900х600 мм. Мощность трубки 100 Вт. Ресурс 10 000 моточасов. Потребляемая мощность 1,5 кВт. Вес 340 кг
Узнайте цену
История создания лазерного оборудования
- Эйнштейн впервые предложил идею стимулированного излучения в 1917 году;
- В 1960 году появился первый в мире рубиновый твердотельный лазер;
- Коммерческое использование началось в 1970-х годах и сейчас находится на стадии бурного развития:
- После изучения механизма взаимодействия лазерного луча с материей, область применения лазера также расширяется. После 1990-х годов промышленное применение перешло в стадию высокоскоростного развития.
История развития лазерных технологий
Два вида применения лазера
Характеристики высокой интенсивности, хорошей монохроматичности, хорошей когерентности и хорошей направленности определяют два сценария применения лазера:
Энергетический лазер
Лазер обладает выдающимся преимуществами — высокой плотностью энергии, что находит важное применение в обработке материалов, производстве оружия, медицине и других областях.
Информационный лазер
Лазер обладает хорошей монохроматичностью и направленностью. Он подходит для передачи информации (оптическая связь) и измерения расстояния (оптическое измерение). По сравнению с традиционной электрической связью, оптическая связь имеет такие преимущества, как большая емкость, большое расстояние, хорошая конфиденциальность и легкий вес.
Оборудование для лазерной обработки
Лазерная обработка является представителем технологии точной обработки. Основной движущей силой роста является замещение традиционных методов обработки:
По сравнению с другими станками, лазерные станки имеют такие преимущества как высокая эффективность, высокая точность, низкое потребление энергии, малая деформация материала, большой ряд обрабатываемых материалов и простота управления.
Эти преимущества тесно связаны с двумя характеристиками бесконтактной обработки и высокой плотностью энергии лазерной обработки:
Бесконтактная обработка
Работа лазера полностью завершается за счет тепла, выделяемого при взаимодействии лазера с материалом.
Во время всего процесса нет контакта между обрабатывающим инструментом и материалом, поэтому обрабатываемый материал не подвергается силовому воздействию, а остаточное напряжение относительно невелико.
Поскольку диаметр луча можно контролировать до очень малого, точность также высока;
Высокая плотность энергии
Плотность мощности лазерной обработки может достигать более 107 Вт/см, в тысячи и даже десятки тысяч раз превышая плотность мощности пламени, дуги и других методов обработки.;
Более высокая плотность мощности означает, что лазер может обрабатывать очень маленькую область на объекте обработки, не затрагивая материалы вокруг микрообласти, поэтому точность обработки и эффективность обработки выше.
Многоточечные преимущества
- Высокая эффективность;
- Высокоточный;
- Низкое потребление энергии;
- Малая деформация;
- Легко контролировать.
Лазер: основной блок лазерного оборудования
Лазер — это компонент, используемый для генерации лазерного луча и основной компонент лазерного оборудования:
- Стоимость лазера составляет 20% — 40% от общей стоимости полного комплекта оборудования для лазерной обработки, или даже выше;
- В лазере происходит накачка, стимулированное излучение и другие процессы;
- Типичный лазер состоит из рабочего материала лазера (энергия излучения), источника накачки (энергии подъема), оптического резонатора (распространяющая энергия) и т.д.
Основная структурная схема лазера
Типы лазеров
Существует множество методов классификации лазеров, среди которых наиболее часто используются четыре наиболее часто используемые:
По рабочему веществу:
По рабочему веществу лазеры можно разделить на газовые, твердотельные, жидкостные (на красителях), полупроводниковые, эксимерные и т.д;
Газовый лазер
Принимая газ в качестве рабочего материала, распространенными являются CO2 лазер , He-Ne лазер, аргонионный лазер, He-Cd лазер, лазер на парах меди, различные эксимерные лазеры и др. лазер, He-Cd лазер, лазер на парах меди, различные эксимерные лазеры и т.д., особенно CO2 лазер наиболее часто используется в промышленности.
Твердотельные лазеры
Ионы металлов, способные производить стимулированное излучение, легируются в кристалл и используются в качестве рабочих материалов. Обычно используемые кристаллы включают рубин, корунд, алюминиевый гранат (широко известный как YAG), тунгстат кальция, фторид кальция, алюминат иттрия и бериллат лантана, среди которых YAG является наиболее распространенным кристаллом в настоящее время.
Твердотельный лазер
Лазер на красителях
В качестве рабочего вещества используется раствор, образующийся при растворении некоторых органических красителей в жидкостях, таких как этанол, метанол или вода.
Полупроводниковые лазеры
Также известны как лазерные диоды, в качестве рабочего вещества используются полупроводниковые материалы, такие как арсенид галлия (GaAs), сульфид кадмия (CDS), фосфид индия (INP), сульфид цинка (ZnS) и т.д.
Полупроводниковые лазеры
Оптоволоконный лазер:
В качестве рабочего материала используется стекловолокно, легированное редкоземельными элементами. Волоконный лазер — это лазер, использующий волокно в качестве рабочей среды.
Волоконный лазер
Волоконный лазер имеет отличные характеристики и известен как лазер третьего поколения:
- Поскольку волокно имеет характеристики малого объема, намотки, низкого отношения площади к объему и высокой скорости фотоэлектрического преобразования, волоконный лазер имеет преимущества миниатюризации и интенсификации, хорошего рассеивания тепла и высокой скорости фотоэлектрического преобразования;
- В то же время, лазерный выход волоконного лазера может быть получен непосредственно из волокна, поэтому волоконный лазер имеет высокую технологичность и может адаптироваться к применению обработки в любом пространстве;
- По структуре, волоконный лазер не имеет оптической линзы в резонансной полости, поэтому он обладает такими преимуществами, как отсутствие регулировки, отсутствие технического обслуживания и высокая стабильность.
- Кроме того, качество луча волоконного лазера также превосходно.
| Типы лазеров | Стандартный тип | Длина лазерной волны | Максимальная выходная мощность | Эффективность преобразования энергии | Особенности |
| Газовый лазер | CO2 лазер | Около 10.6um инфракрасного излучения | 1-20 кВт | 8%～10% | Хорошая монохроматичность и высокая эффективность преобразования энергии |
| Жидкостный лазер | 6G лазер на красителях | УФ к ИК | – | 5%～20% | Длина волны на выходе плавно регулируется, мощность преобразования энергии высокая, низкая стоимость |
| Твердотельные лазеры | YAG/рубиновый лазер | От видимого до ближнего инфракрасного диапазона | 0,5-5 кВт | 0.5%～1% | Низкая выходная мощность, низкий коэффициент преобразования энергии и хорошая монохроматичность. |
| Полупроводниковые лазеры | Диодный лазер GaAs | 100 nm―1.65 um | 0,5-20 кВт, двухмерный массив может достигать 350 кВт | 20% — 40%, лабораторные 70% | Высокая мощность преобразования энергии, малый объем, легкий вес, простая структура, длительный срок службы и слабая монохроматичность. |
| Волоконный лазер | Импульсный/Постоянный волоконный лазер | 1.46 um―1.65 um | 0.5-20 кВт | 30%-40% | Миниатюризация, интенсификация, высокая эффективность преобразования, высокий выход энергии, высокое качество луча, отсутствие оптической коллимации и меньшее техническое обслуживание. |
Форма выходного сигнала энергии (рабочий режим):
По форме выходного сигнала лазеры можно разделить на непрерывный, импульсный и квазинепрерывный. Импульсный лазер можно дополнительно разделить на миллисекундный лазер, микросекундный лазер, наносекундный механизм, пикосекундный лазер, фемтосекундный лазер, аттосекундный лазер и т.д.;
Непрервные лазеры
Непрерывно выдают стабильную форму волны энергии в течение рабочего времени, с высокой мощностью, и могут обрабатывать материалы с большим объемом и высокой температурой плавления, такие как металлические пластины;
Импульсный лазер
По ширине импульса импульсные лазеры могут быть далее разделены на миллисекундные лазеры, микросекундные лазеры, наносекундные механизмы, пикосекундные лазеры, фемтосекундные лазеры и аттосекундные лазеры;
Фемтосекундные и аттосекундные лазеры называются сверхбыстрыми лазерами.
Мощность импульсного лазера намного ниже, чем у непрерывного лазера, но точность обработки выше, чем у непрерывного лазера. Как правило, чем меньше ширина импульса, тем выше точность обработки;
Квази-КВ лазер
Помимо непрерывного лазера и импульсного лазера, высокоэнергетический лазер может быть выведен многократно в течение определенного периода.
| Способ классификации | Категория лазера | Особенности |
| Классификация по режиму работы | Непрерывный лазер | Возбуждение рабочего материала и соответствующий лазерный выход может осуществляться непрерывно в большом диапазоне времени |
| Импульсивный лазер | Он относится к лазеру с длительностью одного лазерного импульса менее 0,25 секунды и работает только один раз с определенным интервалом. Он имеет большую выходную пиковую мощность и подходит для лазерной маркировки, резки и ранжирования. | |
| Классификация по длительности импульса | Миллисекундный лазер (MS) | 10 -3 S |
| Микросекундный лазер (US) | 10 -6 S | |
| Наносекундный лазер (NS) | 10 -9 S | |
| Пикосекундный лазер (PS) | 10 -12 S | |
| Фемтосекундный лазер (FS) | 10 -15 S |
Выходная длина волны (цвет):
По длине выходной волны лазеры можно разделить на рентгеновские, ультрафиолетовые, инфракрасные, видимые и т.д;
Мощность:
Можно разделить на лазеры низкой мощности 100 Вт, лазеры средней мощности 100-1500 Вт и лазеры высокой мощности больше 1500 Вт.
Классификация лазеров
Если вам понравилась статья, то ставьте лайк, делитесь ею со своими друзьями и оставляйте комментарии!
Станки, которые могут вас заинтересовать:
Размер рабочей области: 1500×3000 мм. Мощность лазера 3000 Вт. Лазерный источник Raycus.
Узнайте цену
Рабочий стол 2000х3000 мм. Мощность трубки 180 Вт. Ресурс 10 000 моточасов. Потребляемая мощность 6 кВт. Вес 1300 кг