שיקולים בבחירת טכנולוגיית הלייזר המתאימה

8 ספטמבר, 2015

הבנת היתרונות המיוחדים של כל טכנולוגיית לייזר, והמגבלות שלה, מאפשרת לבחור בטכנולוגיית הלייזר המתאימה ביותר לכל יישום ספציפי

Share via Whatsapp

הבנת היתרונות המיוחדים של כל טכנולוגיית לייזר, והמגבלות שלה, מאפשרת לבחור בטכנולוגיית הלייזר המתאימה ביותר לכל יישום ספציפי

מאת: צחי סבתי, מנכ"ל חברת איזק סיינטיפיק

[email protected]

 www.IzakScientific.com

בדיקה מעבדתית של מכשיר לייזר
בדיקה מעבדתית של מכשיר לייזר

מכשיר הלייזר נמצא בשימוש התעשייה כבר עשרות שנים, ומשמש ככלי חשוב במגוון עצום של יישומים בתחומי האופטיקה, האלקטרוניקה, התקשורת ועוד. כיום אנחנו מוצאים לייזרים אפילו במוצרים צרכניים כמו נגני DVD, ובמערכות תאורה, סימון, ברקוד בסופר ואפילו במספר גדול של פרוצדורות רפואיות כירורגיות.

צחי סבתי
צחי סבתי

תעשיות רבות כיום עושות שימוש נרחב בלייזר בזכות יכולתו לשפר יישומים טכנולוגיים רבים. עם זאת, לפני שמתחילים לפתח ציוד חדש הכולל מכשירי לייזר, כדאי להכיר את השיקולים המרכזיים בבחירת מערכת הלייזר המתאימה ביותר לכל יישום.

קיימות ארבע קטגוריות עיקריות המסכמות את סוגי הלייזרים. לייזרי סיב, לייזרי גז, דיודות לייזר ולייזרים מצב מוצק. באופן טבעי, לכל סוג של לייזר יש נסיבות ספציפיות בהן הוא מספק את המענה הטוב ביותר. מכיוון שלכל סוג של לייזר יש יתרונות וחסרונות ייחודיים, כל אחד מהסוגים מתאים למטרות שונות.

לייזר מצב מוצק

הדגמים המוקדמים ביותר של לייזרים היו בעיקר וריאציות שונות של לייזרי מצב מוצק. בדרך כלל, זה היה מורכב מלייזר אודם (Ruby), שהוא הסוג הראשון שפותח ומבוסס על תכן מייזר אודם (Ruby MASER), שהיא הגרסה שקדמה ללייזר. שם הלייזר בדרך נובע מהשראת החומר, מכיוון שלייזרים מבוססי מצב מוצק בנויים מגבישים המשמשים כמדיום המגביר.

יש מידה רבה של יציבות בלייזרים מבוססי מצב מוצק, מה שהופך אותם למקורות אנרגיה לחימום וריתוך בתעשיית החומרים, חימום רקמה ליישומים אסתטיים ורפואיים וכפקדים מצויינים במעבדה ובדיקות. באופן כללי, יעילות ההמרה (היחס בין האנרגיה האופטית הנפלטת לאנרגיה החשמלית המושקעת) של לייזרי מצב מוצק נמוכה ומסתכמת בדרך כלל כמה אחוזים, מה שמטיל מגבלות ליישומים אחרים.

אולם החיסרון הגדול ביותר שלהם הוא המגוון הקטן יחסית של אורכי גל ופוטנציאל כיוונון אורך גל צר למדי. אחד מהסוגים השימושיים יותר הוא לייזר מצב מוצק שאוב דיודה (Diode-Pumped Solid State or DPSS laser) שבו מקור השאיבה של הלייזר מצב מוצק הוא לייזר דיודה, במקום שאיבה סטנדרטית באמצעות מנורת פלאש קסנון.

לייזר סיב

בלייזרי סיב יש אלמנטים מגבירים בתוך הסיב המאפשרים פליטה מאולצת. שריג בראג בקצות הסיב מאפשר את ההחזר אשר מגביר את האור ויוצר לזירה במקום להשתמש במראות שיוצרות חלל (Cavity) בטכנולוגיות לייזר אחרות. לייזרי סיב הם הסוג שימושי ביותר למערכות סיבים אופטיים, שהופך אותם אידיאליים עבור יישומי תקשורת. מבין היישומים העיקריים של לייזר סיב ניתן למנות עיבוד חומרים (Material processing), ספקטרוסקופיה, מכשור רפואי, ונשק מבוסס לייזר (DEW). הסוג הנפוץ ביותר של אלמנטים מגבירים בסיב ביישומים התעשייתיים הוא ארביום (EDFA – erbium-doped fiber amplifier ).

לייזר גז

המדיום העיקרי של לייזר גז הוא גז המאפשר הגבר ללא מגברים. כמו כן, בלייזר גז יש תפוקת הספק מוצא גבוה באופן יחסי ומגוון קטן יותר של היסחפות אורך גל. עם זאת, יש חסרון הנובע מכך שהגז צריך להיות חתום בתא אטום.

ללא ספק הסוג הנפוץ ביותר של לייזר גז הוא לייזר CO2, המשמש בעיקר עבור פרוצדורות רפואיות כירורגיות ואחרות. לייזרי HeNe שימושיים גם בתחום הספקטרוסקופיה, אינטרפרומטריה וכסמנים ליישור כמעט של כל דבר, בכל תחום. יש אורכי גל רבים המרחיבים לספקטרום אולטרה סגול, אור נראה ואינפרא אדום. היעילות היא מתונה: מאחוזים בודדים ועד 20 אחוז, אבל היציבות והאמינות של לייזר גז היא גדולה.

דיודת לייזר

דיודת הלייזר היא קטגוריה נוספת ומעניינת הצוברת תאוצה בתעשייה. התקני מוליכים למחצה אלו מבוססים על דיודות עם צומת PN הפולט אור כאשר מזרימים דרכו זרם חשמלי. יש כמה תת-סוגים של דיודות לייזר, בהם משטח פולט אור כגון VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) ומגוון סוגי לייזר הפולטים מהצד. במקרים אחרים מאשר VCSEL צורת אלומת לייזר דיודה היא אליפטית, עקב מגבלת העקיפה הנובעת משכבה דקה בציר אחד הגורמת להתבדרות מהירה בציר המהיר והתבדרות קטנה יותר בציר האיטי.

בדרך כלל ניתן לתקן את צורת האלומה באמצעות עדשה גלילית (או מערכת עדשות גליליות) ו\או באמצעות עדשות דיפרקטיביות. לייזר VCSEL הוא סוג חדש יותר של לייזר דיודה, הפולט אלומה יחסית מקבילה וללא ציר איטי וציר מהיר. דיודות לייזר יכולות להיות מצומדות לסיב או לפלוט אור באופן ישיר לחלל הפתוח.

לדיודות לייזר יעילות המרה גבוהה יותר בין אנרגיה חשמלית לאנרגיה אופטית, היכולה להגיע עד ל-70%. בדרך כלל בדיודות לייזר היעילות עומדת על עשרות אחוזים. יעילות ההמרה תלויה במבנה התקן המוליך למחצה, סימום, מוצא אופטי, וכמו כן גם בזרם ההפעלה והטמפרטורה. כאשר פיזור חום הוא פקטור שחייב להיות מבוקר בקפידה במסגרת שיקולי ההספק.

יתרון נוסף של דיודות הלייזר הוא העלות הנמוכה. הספק האופטי תלוי באופן ישיר בזרם ההפעלה ("הנהג"). כמו לייזר גז, דיודות לייזר מגיעות באורכי גל שונים עם אפשרויות רבות (לרוב עד לתחום SWIR), אך שלא כמו בלייזר גז, שינויי הטמפרטורה יכולים לגרום לסחף משמעותי באורכי גל הפליטה. לרוב, הסחיפה בתחום 0.1-0.4nm/°C. כמו-כן, עם עליית הטמפרטורה גם ההספק קטן והרוחב הספקטרלי של האלומה מתרחב.

בשל גודלם הקטן של לייזרי דיודה, הם משתלבים בקלות בתוך מעגלים חשמליים. כמו כן, אין צורך בצמצמים חיצוניים או מאפננים אקוסטיים, כיוון שניתן לאפנן את הספק המוצא באמצעות ספק הזרם. ניתן להשתמש באופן הפוך בלייזר דיודה גם כגלאי אור.

שיקולים בבחירת הלייזר

הבחירה בלייזר המתאים ליישום צריכה לקחת בחשבון את ההיבטים הקריטיים ביותר של המערכת. הסחיפה של אורך גל היא חשובה, במיוחד כאשר האור הנפלט יכול להשתנות עקב חוסר יציבות קטנה. לדוגמה, ביישומי זיהוי תנועה או תאורה אין משמעות גדולה לסחף באורכי הגל, אך במקרים מסוימים הסחף יכול לשנות הרבה.

כך למשל, חשוב במיוחד השימוש באורכי גל ספציפיים במדידות אינטרפרומטריות – לאמוד מרקם פני השטח או סרטים או ציפויים דקים. במדידות כאלו שגיאה באורך גל יכולה להוביל לתוצאות מדידה שגויות. במקרים בהם הבטיחות היא בעלת חשיבות עליונה, נעשה שימוש בלייזר עם צפיפות ההספק הנמוכה ביותר האפשרית ביישום הספציפי.

מוצר יכול לעמוד (או ליפול) על בחירה נכונה של סוג הלייזר המתאים. כיום ישנן אפשרויות רבות הזמינות, ובחירת הלייזר המתאים כמעט תמיד אפשרית. נוכל לייעץ על הסוג הלייזר המתאים עבורך ולבצע בדיקות ומדידות יסודיות.

פורסם בקטגוריות: אלקטרואופטיקה , דעות , חדשות