เทคโนโลยีเลเซอร์เข้ามามีบทบาทในชีวิตของผู้คนในทุกๆ ด้าน แต่เครื่องกำเนิดเลเซอร์มีหลายประเภท โดยแต่ละประเภทมีความยาวคลื่นและลักษณะเฉพาะที่แตกต่างกัน ดังนั้นขอบเขตการใช้งานก็แตกต่างกันไปด้วย ฉันเชื่อว่าคนส่วนใหญ่มักจะรู้สึกปวดหัวเล็กน้อยเมื่อต้องเผชิญกับเครื่องกำเนิดเลเซอร์ประเภทต่างๆ ที่ซับซ้อน ดังนั้นบทความนี้จึงได้สรุปและอธิบายคุณสมบัติและการใช้งานจริงของเครื่องกำเนิดเลเซอร์ประเภทต่างๆ ทีละประเภท
เครื่องกำเนิดเลเซอร์แบ่งออกเป็น 6 ประเภทตามสื่อการทำงานที่แตกต่างกัน ได้แก่ เครื่องกำเนิดเลเซอร์แบบโซลิดสเตต เลเซอร์แก๊ส เลเซอร์สีย้อม เลเซอร์ไดโอด เลเซอร์ไฟเบอร์ และเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระ ในจำนวนนั้น มีเลเซอร์แบบโซลิดสเตตและเลเซอร์แก๊สแยกย่อยได้หลายประเภท ยกเว้นเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระแล้ว หลักการทำงานพื้นฐานของเลเซอร์แต่ละประเภทก็เหมือนกัน ได้แก่ แหล่งปั๊ม เรโซเนเตอร์ออปติก และตัวกลางเกน
เครื่องกำเนิดเลเซอร์โซลิดสเตต
ในเครื่องกำเนิดเลเซอร์โซลิดสเตต โดยทั่วไปแสงจะถูกใช้เป็นแหล่งปั๊ม และคริสตัลหรือแก้วที่สามารถสร้างแสงได้เรียกว่าวัสดุทำงาน วัสดุประกอบด้วยเมทริกซ์และไอออนที่ถูกกระตุ้น วัสดุเมทริกซ์ให้การดำรงอยู่และสภาพแวดล้อมการทำงานที่เหมาะสมสำหรับไอออนที่ถูกกระตุ้น และไอออนที่ถูกกระตุ้นจะทำให้กระบวนการสร้างเลเซอร์เสร็จสมบูรณ์ ไอออนที่ใช้งานทั่วไปส่วนใหญ่มักเป็นไอออนของโลหะทรานซิชัน เช่น โครเมียม โคบอลต์ นิกเกิล และไอออนอื่นๆ และไอออนของโลหะหายาก เช่น ไอออนของนีโอไดเมียม กระจกที่เคลือบด้วยฟิล์มไดอิเล็กตริกใช้เป็นกระจกสะท้อน โดยกระจกหนึ่งเป็นกระจกเต็มบานและอีกกระจกหนึ่งเป็นกระจกครึ่งบาน เมื่อใช้ไอออนที่ถูกกระตุ้นที่แตกต่างกัน วัสดุเมทริกซ์ที่แตกต่างกัน และความยาวคลื่นของการกระตุ้นแสงที่แตกต่างกัน เลเซอร์ต่างๆ ที่มีความยาวคลื่นที่แตกต่างกันจะถูกปล่อยออกมา
ความยาวคลื่นเลเซอร์ที่ส่งออกโดยเครื่องกำเนิดเลเซอร์ทับทิมคือ 694.3 นาโนเมตร และอัตราการแปลงโฟโตอิเล็กทริกต่ำเพียง 0.1% อย่างไรก็ตาม อายุการใช้งานของฟลูออเรสเซนต์นั้นยาวนาน ซึ่งเอื้อต่อการเก็บพลังงาน และสามารถส่งออกพลังงานพีคพัลส์สูงได้ เลเซอร์ที่สร้างโดยแท่งทับทิมที่มีความหนาเท่าแกนปากกาและนิ้วยาวสามารถทะลุแผ่นเหล็กได้อย่างง่ายดาย ก่อนที่จะมีการเกิดขึ้นของระบบเลเซอร์ YAG ที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น ระบบเลเซอร์ทับทิมถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลาย ตัดด้วยเลเซอร์ และการเจาะ นอกจากนี้ แสงขนาด 694 นาโนเมตรยังถูกเมลานินดูดซับได้ง่าย ดังนั้นเลเซอร์ทับทิมจึงใช้ในการรักษารอยโรคที่มีเม็ดสี (จุดด่างดำบนผิวหนัง) ได้ด้วย
เนื่องจากคุณสมบัติของผลึก เครื่องกำเนิดเลเซอร์ไททาเนียมแซฟไฟร์จึงมีช่วงที่ปรับได้กว้าง (กล่าวคือ ช่วงความยาวคลื่นที่ปรับได้) และสามารถส่งแสงที่มีความยาวคลื่น 660 นาโนเมตรถึง 1200 นาโนเมตรได้ตามต้องการ เมื่อรวมกับเทคโนโลยีการเพิ่มความถี่เป็นสองเท่า (ซึ่งสามารถเพิ่มความถี่ของแสงเป็นสองเท่า นั่นคือ ลดความยาวคลื่นลงครึ่งหนึ่ง) ช่วงความยาวคลื่นจึงสามารถขยายได้ถึง 330 นาโนเมตรถึง 600 นาโนเมตร ระบบเลเซอร์ไททาเนียมแซฟไฟร์ใช้ในสเปกโตรสโคปีเฟมโต2 การวิจัยออปติกแบบไม่เชิงเส้น การสร้างแสงสีขาว การสร้างคลื่นเทราเฮิรตซ์ เป็นต้น และยังมีการใช้งานในด้านความงามทางการแพทย์อีกด้วย
YAG เป็นตัวย่อของอิตเทรียมอะลูมิเนียมการ์เนต ซึ่งเป็นเมทริกซ์คริสตัลเลเซอร์คุณภาพเยี่ยมที่สุดในปัจจุบัน หลังจากถูกเจือด้วยนีโอดิเมียม (Nd) แล้ว ก็สามารถส่งออกได้ 1064nm แสงสว่างและกำลังขับต่อเนื่องสูงสุดสามารถถึง 1000 วัตต์ ในยุคแรกๆ หลอดไฟแฟลชก๊าซเฉื่อยถูกใช้เป็นแหล่งปั๊ม แต่การใช้หลอดไฟแฟลชปั๊มนั้นมีช่วงสเปกตรัมที่กว้าง ไม่ค่อยสอดคล้องกับสเปกตรัมการดูดกลืนของตัวกลางที่รับได้ และมีภาระความร้อนสูง ส่งผลให้มีอัตราการแปลงโฟโตอิเล็กทริกต่ำ ดังนั้นในปัจจุบัน การใช้ LD (เลเซอร์ไดโอด) จึงสามารถให้ประสิทธิภาพสูง กำลังสูง และอายุการใช้งานยาวนาน เครื่องกำเนิดเลเซอร์ Nd:YAG สามารถใช้ในการรักษาเนื้องอกหลอดเลือดและยับยั้งการเติบโตของเนื้องอกได้ อย่างไรก็ตาม ความเสียหายจากความร้อนต่อเนื้อเยื่อนั้นไม่เลือกปฏิบัติ ในขณะที่ทำให้หลอดเลือดของเนื้องอกแข็งตัว พลังงานส่วนเกินจะทำลายเนื้อเยื่อปกติโดยรอบด้วย และอาจทำให้เกิดแผลเป็นได้ง่ายหลังการผ่าตัด ดังนั้น เลเซอร์ Nd:YAG จึงส่วนใหญ่ใช้ในการผ่าตัด นรีเวชศาสตร์ หู คอ จมูก และน้อยกว่าในโรคผิวหนัง
Yb: YAG อิตเทอร์เบียม (Yb) ถูกเจือปนใน YAG ซึ่งสามารถส่งแสงได้ 1030 นาโนเมตร ความยาวคลื่นของปั๊ม Yb:YAG คือ 941 นาโนเมตร ซึ่งใกล้เคียงกับความยาวคลื่นเอาต์พุตมาก ซึ่งสามารถบรรลุประสิทธิภาพควอนตัมของปั๊มที่ 91.4% และความร้อนที่เกิดจากปั๊มจะถูกระงับไว้ภายใน 10% (พลังงานที่เข้ามาส่วนใหญ่จะถูกแปลงเป็นพลังงานขาออก ซึ่งมีเพียงส่วนเล็กน้อยเท่านั้นที่กลายเป็นความร้อน ซึ่งหมายความว่าประสิทธิภาพการแปลงนั้นสูงมาก) ซึ่งอยู่ที่ 25% 30% ของ Nd:YAG Yb:YAG ได้กลายเป็นหนึ่งในสื่อเลเซอร์โซลิดสเตตที่น่าดึงดูดใจที่สุด และเครื่องกำเนิดเลเซอร์โซลิดสเตต Yb:YAG กำลังสูงที่ปั๊มด้วย LD ได้กลายเป็นจุดศูนย์กลางการวิจัยใหม่ และถือเป็นหนึ่งในทิศทางหลักของเครื่องกำเนิดเลเซอร์โซลิดสเตตประสิทธิภาพสูงกำลังสูงที่กำลังพัฒนา
นอกจากสองชนิดข้างต้นแล้ว YAG ยังสามารถเจือด้วยโฮลเมียม (Ho) เออร์เบียม (Er) เป็นต้น Ho:YAG ผลิตเลเซอร์ 2097 นาโนเมตรและ 2091 นาโนเมตรที่ปลอดภัยต่อดวงตา โดยส่วนใหญ่ใช้ในการสื่อสารด้วยแสง เรดาร์ และการแพทย์ Er:YAG ปล่อยแสงขนาด 2.9 ไมโครเมตร และร่างกายมนุษย์มีอัตราการดูดซับแสงความยาวคลื่นนี้สูง ซึ่งมีศักยภาพในการนำไปประยุกต์ใช้อย่างยอดเยี่ยมสำหรับการผ่าตัดด้วยเลเซอร์และการผ่าตัดหลอดเลือด
เครื่องกำเนิดเลเซอร์แก๊ส
เครื่องกำเนิดเลเซอร์แก๊สเป็นระบบเลเซอร์ที่ใช้แก๊สเป็นตัวกลางขยาย โดยทั่วไปจะสูบแก๊สออก แก๊สมีหลายประเภท เช่น แก๊สอะตอม (ฮีเลียม-นีออน ไอออนแก๊สมีตระกูล และไอโลหะ) แก๊สโมเลกุล (ไนโตรเจนและคาร์บอนไดออกไซด์) แก๊สเอ็กไซเมอร์ และแก๊สที่เกิดจากปฏิกิริยาเคมี
เครื่องกำเนิดเลเซอร์ HeNe (HeNe) ใช้ส่วนผสมของ HeNe 75% ขึ้นไปและ Ne 15% หรือต่ำกว่าเป็นตัวกลางขยาย ขึ้นอยู่กับสภาพแวดล้อมการทำงาน สามารถปล่อยแสงสีเขียว (543.5 นาโนเมตร) สีเหลือง (594.1 นาโนเมตร) สีส้ม (612.0 นาโนเมตร) สีแดง (632.8 นาโนเมตร) และแสงอินฟราเรดใกล้ 3 ประเภท (1152 นาโนเมตร 1523 นาโนเมตร และ 3391 นาโนเมตร) ซึ่งแสงสีแดง (632.8 นาโนเมตร) เป็นแสงที่ใช้กันทั่วไปที่สุด เอาต์พุตลำแสงจากเครื่องกำเนิดเลเซอร์ HeNe มีการกระจายแบบเกาส์เซียน และคุณภาพลำแสงมีเสถียรภาพมาก แม้ว่าพลังงานจะไม่สูง แต่ก็มีประสิทธิภาพดีในด้านการวัดที่แม่นยำ
เครื่องกำเนิดเลเซอร์ก๊าซเฉื่อยทั่วไปได้แก่ ไอออนอาร์กอน (Ar+) และไอออนคริปทอน (Kr+) อัตราการแปลงพลังงานสามารถสูงถึง 0.6% และสามารถส่งออกพลังงานได้อย่างต่อเนื่องและเสถียร 30-50 วัตต์เป็นเวลานาน และมีอายุการใช้งานเกิน 1000 ชั่วโมง ส่วนใหญ่ใช้ในจอแสดงผลเลเซอร์ สเปกโตรสโคปีรามาน โฮโลแกรม ออปติกแบบไม่เชิงเส้น และสาขาการวิจัยอื่นๆ รวมถึงการวินิจฉัยทางการแพทย์ การแยกสีการพิมพ์ การประมวลผลวัสดุการวัด และการประมวลผลข้อมูล
เครื่องกำเนิดเลเซอร์ไอโลหะใช้ไอทองแดงเป็นตัวอย่าง เครื่องกำเนิดเลเซอร์ไอทองแดงส่งแสงสีเขียว (510.5 นาโนเมตร) และแสงสีเหลือง (578.2 นาโนเมตร) เป็นหลัก ซึ่งสามารถเข้าถึงพลังงานเฉลี่ย 100 วัตต์และพลังงานสูงสุด 100 กิโลวัตต์ พื้นที่การใช้งานหลักคือแหล่งปั๊มของเครื่องกำเนิดเลเซอร์สีย้อม นอกจากนี้ยังสามารถใช้สำหรับการถ่ายภาพแฟลชความเร็วสูง ทีวีฉายภาพขนาดใหญ่ และการประมวลผลวัสดุได้อีกด้วย
เครื่องกำเนิดเลเซอร์โมเลกุลไนโตรเจนใช้ไนโตรเจนเป็นตัวกลางขยาย ซึ่งสามารถปล่อยแสงอัลตราไวโอเลตที่ 337.1 นาโนเมตร 357.7 นาโนเมตร และ 315.9 นาโนเมตร และกำลังสูงสุดสามารถเข้าถึง 45 กิโลวัตต์ สามารถใช้เป็นแหล่งกำเนิดแสงปั๊มสำหรับเครื่องกำเนิดเลเซอร์สีย้อมอินทรีย์ และยังใช้กันอย่างแพร่หลายในการแยกไอโซโทปด้วยเลเซอร์ การวินิจฉัยการเรืองแสง การถ่ายภาพความเร็วสูงพิเศษ การตรวจจับมลพิษ การแพทย์และการดูแลสุขภาพ และการเพาะพันธุ์ทางการเกษตร เนื่องจากความยาวคลื่นสั้นของมันโฟกัสได้ง่ายกว่าเพื่อให้ได้จุดเล็กๆ จึงสามารถใช้ในการประมวลผลส่วนประกอบขนาดเล็กได้
ตัวกลางที่ใช้ในการขยายสัญญาณ CO2 เครื่องกำเนิดเลเซอร์เป็นคาร์บอนไดออกไซด์ผสมกับฮีเลียมและไนโตรเจน ซึ่งสามารถส่งแสงอินฟราเรดไกลที่มีศูนย์กลางที่ความยาวคลื่น 9.6 μm และ 10.6 μm เครื่องกำเนิดนี้มีอัตราการแปลงพลังงานสูง กำลังส่งออกสามารถอยู่ในช่วงตั้งแต่หลายวัตต์ไปจนถึงหลายหมื่นวัตต์ และคุณภาพลำแสงที่สูงมากทำให้ CO2 เครื่องกำเนิดเลเซอร์ใช้กันอย่างแพร่หลายในการประมวลผลวัสดุ การวิจัยทางวิทยาศาสตร์ การป้องกันประเทศ และการแพทย์ คุณจะได้พบกับความแตกต่าง CO2 เครื่องตัดเลเซอร์ และ ช่างแกะสลักเลเซอร์ สำหรับการแกะสลักและตัดไม้ MDF ไม้อัด ผ้า หนัง แก้ว พลาสติก และอะคริลิกในชีวิตประจำวันและธุรกิจของคุณ
เอ็กไซเมอร์เป็นโมเลกุลที่ไม่เสถียรซึ่งเต็มไปด้วยส่วนผสมของก๊าซเฉื่อยและก๊าซฮาโลเจนต่างๆ ในเรโซเนเตอร์เพื่อสร้างเลเซอร์ที่มีความยาวคลื่นต่างกัน การกระตุ้นมักจะทำได้โดยลำแสงอิเล็กตรอนเชิงสัมพัทธภาพ (พลังงานมากกว่า 200 keV) หรือโดยการคายประจุพัลส์เร็วตามขวาง เมื่อพันธะโมเลกุลที่ไม่เสถียรของเอ็กไซเมอร์สถานะกระตุ้นแตกและแยกตัวออกเป็นอะตอมสถานะพื้นฐาน พลังงานของสถานะกระตุ้นจะถูกปลดปล่อยออกมาในรูปแบบของรังสีเลเซอร์ มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในทางการแพทย์ การสื่อสารด้วยแสง การแสดงเซมิคอนดักเตอร์ การสำรวจระยะไกล อาวุธเลเซอร์ และสาขาอื่นๆ
เครื่องกำเนิดเลเซอร์เคมีเป็นระบบเลเซอร์ก๊าซชนิดพิเศษที่ใช้พลังงานที่ปล่อยออกมาจากปฏิกิริยาเคมีเพื่อทำให้เกิดการกลับทิศของจำนวนอนุภาค เครื่องกำเนิดส่วนใหญ่ทำงานในโหมดการเปลี่ยนผ่านโมเลกุล และช่วงความยาวคลื่นทั่วไปอยู่ในช่วงสเปกตรัมใกล้อินฟราเรดถึงอินฟราเรดกลาง เครื่องกำเนิดที่สำคัญที่สุดคือเครื่องกำเนิดไฮโดรเจนฟลูออไรด์ (HF) และดิวทีเรียมฟลูออไรด์ (DF) เครื่องกำเนิดไฮโดรเจนฟลูออไรด์สามารถส่งออกเส้นสเปกตรัมได้มากกว่า 15 เส้นระหว่าง 2.6 ถึง 3.3 ไมครอน ส่วนเครื่องกำเนิดไฮโดรเจนฟลูออไรด์มีเส้นสเปกตรัมประมาณ 25 เส้นระหว่าง 3.5 ถึง 4.2 ไมครอน ปัจจุบันทั้งสองเครื่องสามารถส่งออกได้หลายเมกะวัตต์ เนื่องจากมีพลังงานมหาศาล จึงมักใช้ในงานวิศวกรรมนิวเคลียร์และด้านการทหาร
เครื่องกำเนิดเลเซอร์สีย้อม
เครื่องกำเนิดเลเซอร์แบบสีย้อมใช้สีย้อมอินทรีย์เป็นตัวกลางเลเซอร์ ซึ่งโดยปกติจะเป็นสารละลายของเหลว เครื่องกำเนิดเลเซอร์แบบสีย้อมมักใช้ในช่วงความยาวคลื่นที่กว้างกว่าเลเซอร์แบบก๊าซและแบบโซลิดสเตต แบนด์วิดท์ที่กว้างทำให้เหมาะเป็นพิเศษสำหรับเครื่องกำเนิดเลเซอร์แบบปรับได้และแบบพัลส์ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากมีอายุการใช้งานของตัวกลางสั้นและกำลังเอาต์พุตที่จำกัด จึงถูกแทนที่ด้วยเลเซอร์แบบโซลิดสเตตที่ปรับความยาวคลื่นได้ เช่น ไททาเนียมแซฟไฟร์
เครื่องกำเนิดเลเซอร์ไดโอด
เครื่องกำเนิดเลเซอร์ไดโอดเป็นระบบเลเซอร์ที่ใช้สารกึ่งตัวนำเป็นสารทำงาน มีโหมดการกระตุ้น 3 โหมด ได้แก่ การฉีดไฟฟ้า การกระตุ้นลำแสงอิเล็กตรอน และการสูบฉีดออปติก ขนาดเล็ก ราคาถูก ประสิทธิภาพสูง อายุการใช้งานยาวนาน กินไฟน้อย สามารถใช้กับข้อมูลอิเล็กทรอนิกส์ การพิมพ์ด้วยเลเซอร์ ตัวชี้เลเซอร์ การสื่อสารด้วยแสง ทีวีเลเซอร์ โปรเจ็กเตอร์เลเซอร์ขนาดเล็ก ข้อมูลอิเล็กทรอนิกส์ อุปกรณ์ออปติกแบบบูรณาการ และสาขาอื่นๆ
เครื่องกำเนิดไฟเบอร์เลเซอร์
เครื่องกำเนิดเลเซอร์ไฟเบอร์หมายถึงระบบเลเซอร์ประเภทหนึ่งที่ใช้ใยแก้วที่เจือปนธาตุหายากเป็นตัวกลางในการรับแสง มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในการพิมพ์โลหะและไม่ใช่โลหะ การทำเครื่องหมาย การแกะสลัก การเจาะ การตัด การทำความสะอาด การเชื่อม (การบัดกรี การชุบแข็งด้วยน้ำ การหุ้ม และการเชื่อมลึก) การทหาร การป้องกันประเทศและความปลอดภัย อุปกรณ์ทางการแพทย์ โครงสร้างพื้นฐานขนาดใหญ่ และเป็นปั๊มสำหรับแหล่งเลเซอร์อื่นๆ คุณจะได้พบกับ เครื่องแกะสลักเลเซอร์ไฟเบอร์ สำหรับข้อความและรูปแบบส่วนบุคคล เครื่องตัดไฟเบอร์เลเซอร์ สำหรับงานโลหะ เครื่องทำความสะอาดไฟเบอร์เลเซอร์ สำหรับการกำจัดสนิม การลอกสี และการขจัดสารเคลือบ เครื่องเชื่อมเลเซอร์ไฟเบอร์ สำหรับข้อต่อโลหะในชีวิตของคุณ
เครื่องกำเนิดเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระ
เครื่องกำเนิดเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระเป็นแหล่งกำเนิดรังสีโคฮีเรนต์กำลังสูงชนิดใหม่ที่แตกต่างจากเครื่องกำเนิดเลเซอร์แบบเดิม เครื่องนี้ไม่ต้องการก๊าซ ของเหลว หรือของแข็งเป็นวัสดุทำงาน แต่แปลงพลังงานจลน์ของลำแสงอิเล็กตรอนพลังงานสูงเป็นพลังงานรังสีโคฮีเรนต์โดยตรง ดังนั้นจึงถือได้ว่าสารทำงานของเครื่องกำเนิดเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระคืออิเล็กตรอนอิสระ เครื่องนี้มีคุณสมบัติที่ยอดเยี่ยมหลายประการ เช่น กำลังสูง ประสิทธิภาพสูง ช่วงการปรับความยาวคลื่นที่กว้าง และโครงสร้างเวลาของพัลส์ที่สั้นมาก ยกเว้นเครื่องกำเนิดเลเซอร์นี้แล้ว ไม่มีเครื่องกำเนิดเลเซอร์รุ่นใดที่มีคุณสมบัติเหล่านี้ได้ในเวลาเดียวกัน เครื่องนี้มีแนวโน้มที่ดีอย่างมากในสาขาการวิจัยฟิสิกส์ อาวุธเลเซอร์ เลเซอร์ฟิวชัน โฟโตเคมี และการสื่อสารด้วยแสง
