Ujęcia głowicy laserowej widziane od wewnątrz
Lasery znajdują się wszędzie wokół nas. Od sektora przemysłu (motoryzacji, narzędzi, hydrauliki, sprzętu gospodarstwa domowego) po medycynę i urodę, lasery są obecnie wykorzystywane w zasadzie w każdej dziedzinie ze względu na swoją wszechstronność i możliwość wykonywania licznych zadań obejmujących: cięcie laserowe, spawanie i znakowanie laserowe, usuwanie tatuaży, chirurgię oka, usuwanie owłosienia itd. Oczywiście lasery różnią się od siebie, a w zależności od zastosowania wybiera się ten najbardziej odpowiedni ze źródłem właściwym dla danego celu.
Wśród laserów wyróżnia się pięć kategorii:
Ponadto wymienione pięć typów laserów można podzielić na dalsze podkategorie zależne od sposobu działania, tj. lasery o fali ciągłej i lasery impulsowe. Istnieją także różne rodzaje laserów impulsowych. Ten sam laser światłowodowy przeznaczony do znakowania może wyróżniać zmienny czas trwania impulsu (wersja MOPA), co pozwala na znakowanie tworzyw sztucznych bez rozmazywania i przypalania.
Przed zapoznaniem się z różnymi rodzajami laserów, należy określić, czym jest laser i w jaki sposób on działa.
Laser jest urządzeniem generującym światło w postaci wiązki laserowej. Różnica między wiązką laserową a wiązką świetlną polega na tym, że w przypadku tej pierwszej promienie są monochromatyczne (jednokolorowe), spójne (o tej samej częstotliwości i kształcie fali) i skolimowane (biegnące w tym samym kierunku).
Lasery dostarczają takich informacji, służących w zastosowaniach wymagających wysokiej precyzji.
Wtym artykule omówiono historię laserów, od Einsteina do Gordona Goulda. Warto przyjrzeć się także częściom składowym lasera od strony technicznej. Laser zbudowany jest z trzech głównych elementów:
Źródło energii przesyła światło do ośrodka aktywnego (jest on wynikiem stymulowanej emisji fotonowej poprzez przejścia elektronowe lub molekularne do stanu o niższej energii ze stanu o wyższej energii, uprzednio dystrybuowanego przez źródło). Różni się ono w zależności od rodzaju lasera. Może być nim dioda laserowa, wyładowanie elektryczne, reakcja chemiczna, lampa błyskowa itp.
Ośrodek aktywny emituje wiązkę światła o określonej długości fali wskutek pobudzenia przez światło. Innymi słowy, jest to źródło wzmocnienia optycznego. Nazwy laserów niejednokrotnie pochodzą od ich ośrodka wzmocnienia. Na przykład w przypadku lasera CO2 czynnikiem wzmacniającym jest gaz, tj. CO2.
Rezonator zapewnia wzmocnienie optyczne poprzez zwierciadła umieszczone wokół ośrodka wzmacniającego. Należą do nich zwierciadła rozmieszczone luzem w laserach na ciele stałym, cięte lub powlekane fasety w diodach laserowych oraz reflektory Bragga w laserach światłowodowych.
Przemysłowy laser CO2 jest urządzeniem, w którym gaz przesyła prąd elektryczny w celu wytworzenia światła w procesie określanym mianem inwersji populacji. Do laserów gazowych należą, m.in. lasery na dwutlenku węgla (CO2), lasery helowo-neonowe, lasery argonowe, lasery kryptonowe i lasery ekscymerowe.
Lasery gazowe znajdują wszechstronne zastosowanie, w segmentach, takich jak holografia, spektroskopia, skanowanie kodów kreskowych, pomiary zanieczyszczenia powietrza, obróbka materiałów i chirurgia laserowa.
Lasery CO2 należą prawdopodobnie do najbardziej rozpowszechnionych laserów gazowych i są one wykorzystywane głównie do znakowania laserowego, cięcia laserowego i spawania laserowego. LASIT, dzięki FlyCO2, dokonuje znakowania na materiałach organicznych, takich jak drewno i bambus, szczególnie przydatnych w sektorze materiałów promocyjnych.
Lasery na ciele stałym to lasery, których ośrodkiem aktywnym jest kryształ lub szkło z domieszką jonów. Cecha ta odróżnia je od laserów barwnikowych, w których jako czynnik wzmacniający światło stosuje się barwnik organiczny, zawarty zazwyczaj w roztworze ciekłym, a także od laserów gazowych, w przypadku których spójne światło powstaje dzięki wyładowaniu elektrycznemu w odpowiednim gazie (np. w helu-neonie).
Laser światłowodowy jest specjalnym rodzajem lasera półprzewodnikowego, stanowiącym odrębną kategorię. Laser światłowodowy jest urządzeniem, w którym „aktywny ośrodek wzmacniający stanowi światłowód domieszkowany pierwiastkami ziem rzadkich, takimi jak erb, iterb, neodym, dysproz, prazeodym, tul i holm”.
Właściwości światłowodu pod względem prowadzenia światła stanowią o odmienności tego rodzaju lasera: wiązka laserowa jest mniejsza niż w innych typach, a tym samym jest bardziej precyzyjna. Lasery światłowodowe wyróżniają także niewielkie rozmiary, dobra sprawność elektryczna, niskie koszty konserwacji i eksploatacji.
Lasery światłowodowe znajdują wszechstronne zastosowanie, m.in. w obróbce materiałów (czyszczenie laserowe, teksturowanie, cięcie, spawanie, znakowanie), medycynie i broni energii ukierunkowanej. W tym artykule omówiono zalety laserów światłowodowych do znakowania laserowego, natomiast w tutaj szczegółowo opisano także różnicę między laserem światłowodowym a jego wersją o zmiennym czasie trwania impulsu (MOPA).
Obecnie laser światłowodowy jest najczęściej stosowanym urządzeniem wykorzystywanym do znakowania i grawerowania laserowego. Powodem tego jest długotrwały i wysokiej jakości efekt uzyskiwany w przypadku ogółu metali i prawie wszystkich tworzyw sztucznych. Tego rodzaju system pozwala również na uzyskiwanie czarnych, bezodblaskowych oznaczeń, szczególnie wymaganych w segmencie medycznym (z powodu bezpieczeństwa) oraz w branży AGD i jubilerskiej (ze względów estetycznych).
Kolejnym typem lasera, który wyróżnia czas trwania impulsu jest laser pikosekundowy. Za pomocą FlyPico można uzyskać wysoki kontrast i bezodblaskowe oznaczenia w kolorze czarnym. Są one przydatne zwłaszcza w medycynie (z powodu bezpieczeństwa) oraz w segmencie AGD i jubilerskim (ze względów estetycznych).
W laserach cieczowych czynnikiem wzmacniającym jest barwnik organiczny w postaci ciekłej. Są one również określane mianem laserów barwnikowych. Wykorzystuje je się w medycynie laserowej, spektroskopii, usuwaniu znamion oraz separacji izotopów.
Jedną z zalet laserów barwnikowych jest ich zdolność do generowania znacznie szerszego zakresu długości fal. Dzięki temu można je zaklasyfikować do tzw. laserów przestrajalnych, w których długość fali można regulować w trakcie pracy.
Na przykład w procesie rozdzielania izotopów lasery są dostrajane do określonych rezonansów jądrowych. Są one zatem dostrajane do konkretnego izotopu celem zjonizowania atomów. Wskutek tego stają się one neutralne, a nie naładowane ujemnie lub dodatnio. Następnie za pośrednictwem pola elektrycznego ulegają one rozdzieleniu, co jest określane mianem separacji izotopów.
Dioda laserowa (lub LD, ang. Laser Diode) to urządzenie optoelektroniczne emitujące wiązkę laserową z obszaru aktywnego półprzewodnika, z którego zostało wykonane. Struktura półprzewodnika w dużym stopniu przypomina strukturę wykorzystywaną w produkcji diod LED (Light Emitting Diodes).
Dioda laserowa, tak jak liczne urządzenia elektroniczne, zbudowana jest się z domieszkowanego materiału półprzewodnikowego obecnego w bardzo cienkiej warstwie na powierzchni kryształu. Domieszkowanie kryształu ma na celu wytworzenie obszaru półprzewodnika typu n i obszaru półprzewodnika typu p, umieszczonych jeden nad drugim, aby uzyskać złącze p-n, czyli diodę.
Podobnie jak w przypadku innych rodzajów diod, gdy struktura jest spolaryzowana bezpośrednio, dziury z obszaru p są wstrzykiwane do obszaru n, w którym elektrony są nośnikami większościowymi. Analogicznie elektrony z obszaru n są wstrzykiwane do obszaru p, w którym dziury są nośnikami większościowymi. Gdy elektron i dziura znajdują się w tym samym obszarze, mogą zachodzić mechanizmy rekombinacji w wyniku emisji spontanicznej. Oznacza to, że elektron może znów zająć stan energetyczny dziury, emitując foton o energii odpowiadającej różnicy pomiędzy stanami elektronu i dziury. Wstrzyknięte elektrony i dziury stanowią prąd płynący przez diodę, przy czym emisja spontaniczna zapewnia diodzie laserowej poniżej progu akcji laserowej właściwości podobne do diod LED. Emisja spontaniczna jest konieczna do zainicjowania oscylacji prądu progowego lasera. Jest ona jednak powodem braku wydajności, gdy laser już oscyluje.
