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激光組件與材料
在泵室中使用陶瓷材料和組件提高激光效率
星之球激光 來源:摩根先進材料有限公司 Raj Koria2015-03-16 我要評論(0 )
激光器用于工業(yè)和醫(yī)療市場已有多年。最新的技術(shù)進展表明激光器和光學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用正不斷擴大至多個專業(yè)領(lǐng)域,尤其是眼科和美容護理
激光器用于工業(yè)和醫(yī)療市場已有多年。最新的技術(shù)進展表明激光器和光學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用正不斷擴大至多個專業(yè)領(lǐng)域,尤其是眼科和美容護理。
特別是在過去五年,脫毛和激光視力矯正等整容手術(shù)的需求在顯著增長,因為這些手術(shù)較為普遍,并得到了客戶的認可。
這刺激了業(yè)界對高效激光和高強度脈沖燈的需求,從而推動了更緊湊、更溫和、更快以及更經(jīng)濟有效的新系統(tǒng)的發(fā)展。
泵室本身的結(jié)構(gòu)對激光設(shè)備的性能和耐用性非常關(guān)鍵,設(shè)計優(yōu)化的關(guān)鍵是實現(xiàn)效率最大化。
“傳統(tǒng)”材料的局限性意味著制造商需使用陶瓷材料來生產(chǎn)泵室。
例如,固態(tài)激光器中常見的鍍金鋁光學(xué)腔可能會因為金的剝落或剝離損耗均勻反射率,從而降低激光效率。在這些應(yīng)用中,由釉面氧化鋁制成的泵室的使用壽命會延長5倍,且無需維護,這是因為其材料特性獨特,釉料和陶瓷之間的熱膨脹系數(shù)也相互匹配。
固態(tài)激光器和高強度燈
在固態(tài)激光器中,閃光燈和二極管通過光學(xué)泵送固態(tài)增益介質(zhì),且需要較高的反射率,旨在最大限度地將輻射從光源轉(zhuǎn)移至激光棒中。
在這些應(yīng)用中,專用氧化鋁材料提供了理想的解決方案。通常這種材料擁有高純度(99.7%的氧化鋁)及多孔結(jié)構(gòu),特別適用于使用紅寶石(波長:694nm)和Nd:YAG(波長:1064nm)晶體的激光器。對這一材料進行單獨測試顯示了500nm到2000nm波長的反射率超過96%。
該材料結(jié)合了強大的微觀結(jié)構(gòu)及可控的孔隙率,以提供優(yōu)異的激光反射率。其反射率高度擴散,該材料可作為將光反射及折射至泵室的大型輻射源反射器,在任何工作溫度下都擁有強大的導(dǎo)熱性和優(yōu)異的尺寸和電穩(wěn)定性。
波長比受激發(fā)射更長的泵輻射不會影響激光的輸出,但會使激光晶體溫度上升,導(dǎo)致光變形,從而影響激光的輸出質(zhì)量。
反射器往往通過水或液體來冷卻以防止這類情況發(fā)生,因此它需要承受流體的腐蝕作用,吸收其產(chǎn)生的熱量并保持尺寸的穩(wěn)定。可以上氧化鋁釉以進一步增強反射率,密封孔隙,使冷卻液無法滲透到陶瓷激光腔中。其優(yōu)勢使得它能處理激光器常規(guī)工作中產(chǎn)生的應(yīng)力,同時還具有冷卻液耐腐蝕性作用。
黃釉陶反射器使用了專門的氧化釤釉,其中可見的黃色是紫色和靛青色的補充色,能有效地吸收約450nm的波長。
假設(shè)所需波長范圍內(nèi)的反射率約為98%,該釉的性能優(yōu)于980nm至1,064nm的黃色(GSY)及透明(GSO)釉料,這意味著三種釉的最佳反射力已將波長從500nm擴展到2,000nm左右。
低功率固態(tài)激光器可使用由聚四氟乙烯(PTFE)制成的反射器。盡管比氧化鋁便宜,但PTFE比較軟,容易刮壞,這會降低反射率,尤其是在日常維護中。
二氧化碳(CO2)激光器
CO2激光器是最早開發(fā)的氣體激光器之一,至今仍是最強大最高效的激光器之一,廣泛用于磨皮等整容手術(shù)中,因為水在生物組織中更易吸收10,600nm的波長,它還能用于時尚界,如將圖案印到紡織品和皮革等非金屬基材中。
在CO2激光器中,波導(dǎo)將光子導(dǎo)入相干光束中,因此必須非常直且完全對齊。業(yè)界對更緊湊設(shè)備的需求還推動了Z字形折疊波導(dǎo)設(shè)計的發(fā)展,并改進了性能/尺寸比。波導(dǎo)管的設(shè)計通常只占常規(guī)直線通道設(shè)計空間的三分之一。還縮減了含冷卻系統(tǒng)在內(nèi)的整個激光引擎的尺寸。該設(shè)計還提高了散熱效率,使激光器能在空氣或液體中冷卻。
鍍金鋁在過去一直效果良好,但設(shè)計師還意識到氧化鋁陶瓷也非常適用于該應(yīng)用。
由于機械強度高,所以它們能承受超過1000℃的工作溫度,并在10微米的波長下表現(xiàn)出極好的光學(xué)性能。
保持精確的尺寸公差是確??渍_地引導(dǎo)光子束及保證氣體介質(zhì)密封的關(guān)鍵。隨著技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)在可以制造復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu),波導(dǎo)中還可擁有高度精確的凹槽。
CO2激光器的最新進展是使用了專門的陶瓷材料——Deranox 970,它符合國際公認的ASTM D2520標(biāo)準,具有高介電常數(shù)和低損耗,這使其在電離或觸發(fā)探測器處于低頻時具有出色的穩(wěn)定性。
用于CO2激光器的金屬單針真空穿通件和連接器的陶瓷由相同材料制成,專為高性能和高可靠性設(shè)計,并能根據(jù)特定客戶的要求進行配置。
現(xiàn)在越來越多的應(yīng)用擁有個性化及要求極高的規(guī)格,這意味著標(biāo)準產(chǎn)品在設(shè)計和使用方面并非總是適合。對這類有故障的產(chǎn)品不應(yīng)支持,因為它們可能會導(dǎo)致整個激光系統(tǒng)無法運行,并帶來損失慘重及突發(fā)的停機。
除了陶瓷材料外,金屬化油墨和釬焊合金的發(fā)展也使得材料制造商從一開始就與客戶合作開發(fā)完全集成的優(yōu)化的解決方案,他們精心挑選材料并整合到設(shè)計中,以在最苛刻的條件下保持長期可靠的性能。
準分子激光器
準分子激光器廣泛用于眼科手術(shù)和皮膚治療中,因為它聚光力強,系統(tǒng)還能實現(xiàn)非常精確及精密的控制。生物物質(zhì)也能較好地吸收光。波長極短的UV光不會穿透目標(biāo)物表面,約10秒的極短的脈沖持續(xù)時間通過燒蝕而非燃燒來碎裂表面材料。其結(jié)果是幾乎沒有加熱或改變底層和周圍的材料。
人們對眼睛矯正手術(shù)的需求推動了激光原位角膜磨鑲術(shù)(LASIK)激光器的發(fā)展。該激光器能產(chǎn)生高重復(fù)性及持續(xù)時間短的光束脈沖流。由于其熱穩(wěn)定性,氧化鋁能應(yīng)付高脈沖率和反復(fù)的高溫沖擊。
準分子激光器的泵腔通常能泵送多種氣體,如氟或氯及氬、氪或氙等惰性氣體。因此,該絕緣體必須堅韌且能耐強腐蝕性鹵素氣體。氧化鋁擁有20kV/mm優(yōu)異的介電強度,這使其成為絕佳的絕緣體。該絕緣體由96.7%-99.5%的純氧化鋁制造而成,并能精確地加工成各種形狀,以延長跟蹤距離,并為電氣穿通件準確地定位及設(shè)置孔的大小。氧化鋁對腐蝕性鹵素還擁有惰性,同時該材料沒有污染激光氣體及降低絕緣體使用壽命的有機物。
正是擁有該純度水平,以及陶瓷激光組件的強度和通用性,這些材料在從反射器到真空穿通件和觸發(fā)器組件等醫(yī)療激光應(yīng)用中得到越來越廣泛的使用。其獨特的特性和功能可提供特定的性能屬性,這確保了規(guī)格師和設(shè)計師們?yōu)楦鞣N應(yīng)用帶來最佳性能和耐用性。
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