Princip generiranja lasera

Zašto trebamo znati princip rada lasera?

Poznavanje razlika između uobičajenih poluvodičkih lasera, vlakana, diskova iYAG lasertakođer može pomoći u boljem razumijevanju i uključivanju u više rasprava tijekom procesa odabira.

Članak se uglavnom usredotočuje na popularnu znanost: kratak uvod u načelo laserske generacije, glavnu strukturu lasera i nekoliko uobičajenih tipova lasera.

Prvo, princip generiranja lasera

Laser se stvara interakcijom između svjetlosti i materije, poznatom kao stimulirano pojačanje zračenja; Razumijevanje pojačanja stimuliranog zračenja zahtijeva razumijevanje Einsteinovih koncepata spontane emisije, stimulirane apsorpcije i stimuliranog zračenja, kao i neke potrebne teorijske osnove.

Teorijska osnova 1: Bohrov model

Bohrov model uglavnom pruža unutarnju strukturu atoma, što olakšava razumijevanje nastanka lasera. Atom se sastoji od jezgre i elektrona izvan jezgre, a orbitale elektrona nisu proizvoljne. Elektroni imaju samo određene orbitale, među kojima se najdublja orbitala naziva osnovnim stanjem; Ako je elektron u osnovnom stanju, njegova energija je najmanja. Ako elektron iskoči iz orbite, to se naziva prvim pobuđenim stanjem, a energija prvog pobuđenog stanja bit će veća od energije osnovnog stanja; Druga orbita naziva se drugo pobuđeno stanje;

Razlog zašto se laser može pojaviti je taj što će se elektroni kretati u različitim orbitama u ovom modelu. Ako elektroni apsorbiraju energiju, mogu prijeći iz osnovnog stanja u pobuđeno stanje; Ako se elektron vrati iz pobuđenog stanja u osnovno stanje, oslobodit će energiju, koja se često oslobađa u obliku lasera.

Teorijska osnova 2: Einsteinova teorija stimuliranog zračenja

Godine 1917. Einstein je predložio teoriju stimuliranog zračenja, koja je teorijska osnova za lasere i lasersku proizvodnju: apsorpcija ili emisija materije u biti je rezultat interakcije između polja zračenja i čestica koje čine materiju, i njezine jezgre bit je prijelaz čestica između različitih energetskih razina. Postoje tri različita procesa u interakciji između svjetlosti i materije: spontana emisija, stimulirana emisija i stimulirana apsorpcija. Za sustav koji sadrži veliki broj čestica, ova tri procesa uvijek koegzistiraju i blisko su povezana.

Spontana emisija:

Kao što je prikazano na slici: elektron na visokoenergetskoj razini E2 spontano prelazi na niskoenergetsku razinu E1 i emitira foton s energijom hv, a hv=E2-E1; Ovaj spontani i nepovezani prijelazni proces naziva se spontani prijelaz, a svjetlosni valovi emitirani spontanim prijelazima nazivaju se spontanim zračenjem.

Karakteristike spontane emisije: Svaki foton je neovisan, različitih smjerova i faza, a vrijeme pojavljivanja je također slučajno. Spada u nekoherentnu i kaotičnu svjetlost, koja nije svjetlost koju zahtijeva laser. Stoga proces generiranja lasera treba smanjiti ovu vrstu zalutale svjetlosti. To je također jedan od razloga zašto valna duljina raznih lasera ima zalutalo svjetlo. Ako se dobro kontrolira, udio spontane emisije u laseru može se zanemariti. Što je laser čišći, kao što je 1060 nm, sve je 1060 nm. Ova vrsta lasera ima relativno stabilnu stopu apsorpcije i snagu.

Stimulirana apsorpcija:

Elektroni na niskim energetskim razinama (niske orbitale), nakon apsorpcije fotona, prelaze na više energetske razine (visoke orbitale), a taj se proces naziva stimulirana apsorpcija. Potaknuta apsorpcija ključna je i jedan od ključnih procesa pumpanja. Izvor pumpe lasera daje energiju fotona kako bi čestice u mediju za dobivanje prešle i čekale stimulirano zračenje na višim razinama energije, emitirajući laser.

Stimulirano zračenje:

Kada je ozračen svjetlom vanjske energije (hv=E2-E1), elektron na visokoj energetskoj razini biva pobuđen vanjskim fotonom i skače na nisku energetsku razinu (visoka orbita prelazi u nisku orbitu). Istovremeno emitira foton koji je potpuno isti kao vanjski foton. Ovaj proces ne apsorbira izvorno pobudno svjetlo, tako da će postojati dva identična fotona, što se može shvatiti kao da elektron ispljune prethodno apsorbirani foton. Ovaj proces luminiscencije naziva se stimulirano zračenje, što je obrnuti proces od stimulirane apsorpcije.

Nakon što je teorija jasna, vrlo je jednostavno izgraditi laser, kao što je prikazano na gornjoj slici: pod normalnim uvjetima materijalne stabilnosti, velika većina elektrona je u osnovnom stanju, elektroni u osnovnom stanju, a laser ovisi o stimulirano zračenje. Prema tome, struktura lasera omogućuje da se najprije dogodi stimulirana apsorpcija, dovodeći elektrone na visoku energetsku razinu, a zatim osigurava pobudu koja uzrokuje da veliki broj elektrona visoke energetske razine prođe stimulirano zračenje, oslobađajući fotone, iz ovoga, može se generirati laser. Zatim ćemo predstaviti strukturu lasera.

Struktura lasera:

Spojite strukturu lasera s ranije spomenutim uvjetima generiranja lasera, jedan po jedan:

Uvjeti nastanka i pripadajuća struktura:

1. Postoji medij za pojačanje koji daje učinak pojačanja kao radni medij lasera, a njegove aktivirane čestice imaju strukturu energetske razine prikladnu za generiranje stimuliranog zračenja (uglavnom sposobne pumpati elektrone na visokoenergetske orbitale i postojati određeno vrijeme , a zatim osloboditi fotone u jednom dahu kroz stimulirano zračenje);

2. Postoji vanjski izvor pobude (izvor pumpe) koji može pumpati elektrone s niže razine na višu razinu, uzrokujući inverziju broja čestica između gornje i donje razine lasera (tj. kada ima više visokoenergetskih čestica od čestice niske energije), kao što je ksenonska lampa u YAG laserima;

3. Postoji rezonantna šupljina koja može postići lasersku oscilaciju, povećati radnu duljinu laserskog radnog materijala, ekranizirati način svjetlosnog vala, kontrolirati smjer širenja zrake, selektivno pojačati stimuliranu frekvenciju zračenja kako bi se poboljšala monokromatičnost (osiguravajući da laser izlazi s određenom energijom).

Odgovarajuća struktura prikazana je na gornjoj slici, što je jednostavna struktura YAG lasera. Druge strukture mogu biti složenije, ali srž je ovo. Proces generiranja lasera prikazan je na slici:

Klasifikacija lasera: općenito klasificirana prema mediju pojačanja ili prema obliku laserske energije

Dobiti srednju klasifikaciju:

Laser ugljičnog dioksida: Sredstvo pojačanja lasera s ugljikovim dioksidom je helij iCO2 laser,s valnom duljinom lasera od 10,6 um, što je jedan od najranijih laserskih proizvoda koji su lansirani. Rano lasersko zavarivanje uglavnom se temeljilo na laseru s ugljikovim dioksidom, koji se trenutno uglavnom koristi za zavarivanje i rezanje nemetalnih materijala (tkanina, plastika, drvo, itd.). Osim toga, koristi se i na strojevima za litografiju. Laser s ugljičnim dioksidom ne može se prenositi kroz optička vlakna i putuje kroz prostorne optičke staze. Najraniji Tongkuai bio je izveden relativno dobro, a korišteno je mnogo opreme za rezanje;

YAG (itrij aluminijski granat) laser: YAG kristali dopirani metalnim ionima neodija (Nd) ili itrija (Yb) koriste se kao medij za lasersko pojačanje, s valnom duljinom emisije od 1,06 um. YAG laser može emitirati veće impulse, ali prosječna snaga je niska, a vršna snaga može doseći 15 puta veću prosječnu snagu. Ako se uglavnom radi o pulsnom laseru, ne može se postići kontinuirani učinak; No, može se prenositi kroz optička vlakna, au isto vrijeme se povećava stopa apsorpcije metalnih materijala, te se počinje primjenjivati ​​u materijalima visoke refleksije, prvi put primijenjenim u 3C polju;

Vlaknasti laser: Trenutačna glavna struja na tržištu koristi vlakna dopirana iterbijem kao medij za pojačanje, s valnom duljinom od 1060 nm. Dalje se dijeli na vlaknaste i disk lasere na temelju oblika medija; Optičko vlakno predstavlja IPG, dok disk predstavlja Tongkuai.

Poluvodički laser: Sredstvo pojačanja je poluvodički PN spoj, a valna duljina poluvodičkog lasera uglavnom je 976 nm. Trenutno se poluvodički bliski infracrveni laseri uglavnom koriste za oblaganje, sa svjetlosnim točkama iznad 600 um. Laserline je reprezentativno poduzeće za poluvodičke lasere.

Klasificira se prema obliku energetskog djelovanja: Pulsni laser (PULSE), kvazi kontinuirani laser (QCW), kontinuirani laser (CW)

Pulsni laser: nanosekunda, pikosekunda, femtosekunda, ovaj visokofrekventni pulsni laser (ns, širina impulsa) često može postići visoku vršnu energiju, obradu visoke frekvencije (MHZ), koristi se za obradu tankih bakrenih i aluminijskih različitih materijala, kao i za čišćenje uglavnom . Korištenjem visoke vršne energije, može brzo rastopiti osnovni materijal, uz kratko vrijeme djelovanja i malu zonu utjecaja topline. Ima prednosti u obradi ultratankih materijala (ispod 0,5 mm);

Kvazi kontinuirani laser (QCW): Zbog visoke stope ponavljanja i niskog radnog ciklusa (ispod 50%), širina impulsaQCW laserdoseže 50 us-50 ms, popunjavajući prazninu između lasera s kontinuiranim vlaknima razine kilovata i pulsnog lasera s Q-sklopkom; Vršna snaga kvazi kontinuiranog lasera s vlaknima može doseći 10 puta veću prosječnu snagu u kontinuiranom načinu rada. QCW laseri općenito imaju dva načina, jedan je kontinuirano zavarivanje pri maloj snazi, a drugi je pulsno lasersko zavarivanje s vršnom snagom 10 puta većom od prosječne snage, čime se mogu postići deblji materijali i više topline zavarivanje, dok se također kontrolira toplina unutar vrlo mali raspon;

Kontinuirani laser (CW): Ovo je najčešće korišteni laser, a većina lasera viđenih na tržištu su CW laseri koji kontinuirano emitiraju laser za obradu zavarivanja. Fiber laseri se dijele na single-mode i multi-mode lasere prema različitim promjerima jezgre i kvaliteti snopa te se mogu prilagoditi različitim scenarijima primjene.