Princip laserske generacije

Zašto trebamo znati princip lasera?

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

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

Prvo, princip laserske generacije

Laser se generira interakcijom između svjetlosti i materije, poznatom kao pojačanje stimuliranog zračenja; Razumijevanje pojačanja stimuliranog zračenja zahtijeva razumijevanje Einsteinovih koncepata spontane emisije, stimulirane apsorpcije i stimuliranog zračenja, kao i nekih potrebnih teorijskih osnova.

Teorijska osnova 1: Bohrov model

Bohrov model uglavnom pruža unutarnju strukturu atoma, što olakšava razumijevanje kako nastaju laseri. Atom se sastoji od jezgre i elektrona izvan jezgre, a orbitale elektrona nisu proizvoljne. Elektroni imaju samo određene orbitale, među kojima se najunutarnja orbitala naziva osnovno stanje; Ako je elektron u osnovnom stanju, njegova energija je najniža. Ako elektron iskoči iz orbite, naziva se prvo pobuđeno stanje, 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 u ovom modelu kretati u različitim orbitama. 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 proizvodnju lasera: apsorpcija ili emisija materije u biti je rezultat interakcije između polja zračenja i čestica koje čine materiju, a njezina temeljna bit je prijelaz čestica između različitih energetskih razina. U interakciji svjetlosti i materije postoje tri različita procesa: spontana emisija, stimulirana emisija i stimulirana apsorpcija. Za sustav koji sadrži veliki broj čestica, ova tri procesa uvijek koegzistiraju i usko 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 proces prijelaza naziva se spontani prijelaz, a svjetlosni valovi koje emitiraju spontani prijelazi nazivaju se spontano zračenje.

Karakteristike spontane emisije: Svaki foton je neovisan, s različitim smjerovima i fazama, a vrijeme pojave je također slučajno. Pripada nekoherentnoj i kaotičnoj svjetlosti, što nije svjetlost potrebna laseru. Stoga proces generiranja lasera mora smanjiti ovu vrstu zalutale svjetlosti. To je također jedan od razloga zašto valne duljine različitih lasera imaju zalutalu svjetlost. Ako se dobro kontrolira, udio spontane emisije u laseru može se zanemariti. Što je laser čišći, poput 1060 nm, to je sve 1060 nm. Ova vrsta lasera ima relativno stabilnu brzinu apsorpcije i snagu.

Pojačana 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. Stimulirana apsorpcija je ključna i jedan je od ključnih procesa pumpanja. Izvor pumpanja lasera osigurava energiju fotona kako bi čestice u mediju pojačanja priješle i čekale stimulirano zračenje na višim energetskim razinama, emitirajući laser.

Stimulirano zračenje:

Kada je ozračen svjetlošću vanjske energije (hv=E2-E1), elektron na visokoj energetskoj razini pobuđuje se vanjskim fotonom i skače na nisku energetsku razinu (visoka orbita prelazi u nisku orbitu). Istovremeno, emitira foton koji je potpuno isti kao i vanjski foton. Ovaj proces ne apsorbira izvornu pobudnu svjetlost, pa će postojati dva identična fotona, što se može shvatiti kao da elektron izbacuje prethodno apsorbirani foton. Ovaj proces luminiscencije naziva se stimulirano zračenje, što je obrnuti proces stimulirane apsorpcije.

Nakon što je teorija jasna, vrlo je jednostavno konstruirati laser, kao što je prikazano na gornjoj slici: pod normalnim uvjetima stabilnosti materijala, velika većina elektrona je u osnovnom stanju, a laser ovisi o stimuliranom zračenju. Stoga je struktura lasera takva da prvo omogućuje stimuliranu apsorpciju, dovodeći elektrone na visoku energetsku razinu, a zatim osigurava pobuđivanje koje uzrokuje da veliki broj elektrona visoke energetske razine prođe stimulirano zračenje, oslobađajući fotone. Iz toga se može generirati laser. Zatim ćemo predstaviti strukturu lasera.

Struktura lasera:

Usporedite strukturu lasera s uvjetima generiranja lasera spomenutim ranije:

Uvjet pojave i odgovarajuća struktura:

1. Postoji medij za pojačanje koji pruža učinak pojačanja kao radni medij lasera, a njegove aktivirane čestice imaju strukturu energetske razine pogodnu za generiranje stimuliranog zračenja (uglavnom sposobne pumpati elektrone u visokoenergetske orbitale i postojati određeno vrijeme, a zatim oslobađati fotone u jednom dahu putem stimuliranog zračenja);

2. Postoji vanjski izvor pobude (izvor pumpanja) koji može pumpati elektrone s niže na višu razinu, uzrokujući inverziju broja čestica između gornje i donje razine lasera (tj. kada ima više čestica visoke energije nego čestica 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, filtrirati mod svjetlosnog vala, kontrolirati smjer širenja snopa, selektivno pojačati stimuliranu frekvenciju zračenja kako bi se poboljšala monokromatskost (osiguravajući da laser izlazi s određenom energijom).

Odgovarajuća struktura prikazana je na gornjoj slici, koja predstavlja jednostavnu strukturu YAG lasera. Druge strukture mogu biti složenije, ali srž je sljedeća. Proces generiranja lasera prikazan je na slici:

Klasifikacija lasera: općenito se klasificira prema mediju pojačanja ili obliku laserske energije

Klasifikacija srednjeg dobitka:

Laser ugljikovog dioksidaPojačivač svjetlosti ugljikovog dioksidnog lasera je helij iCO2 laser,s laserskom valnom duljinom od 10,6 μm, što je jedan od najranijih laserskih proizvoda koji je lansiran. Rano lasersko zavarivanje uglavnom se temeljilo na laseru ugljikovog dioksida, koji se trenutno uglavnom koristi za zavarivanje i rezanje nemetalnih materijala (tkanina, plastike, drva itd.). Osim toga, koristi se i na litografskim strojevima. Laser ugljikovog dioksida ne može se prenositi kroz optička vlakna i putuje prostornim optičkim putovima, Najraniji Tongkuai bio je relativno dobro izveden i korišteno je mnogo opreme za rezanje;

YAG (itrij aluminij granat) laser: YAG kristali dopirani metalnim ionima neodima (Nd) ili itrija (Yb) koriste se kao medij za lasersko pojačanje, s valnom duljinom emisije od 1,06 μm. YAG laser može proizvesti 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 izlaz; Ali se može prenositi kroz optička vlakna, a istovremeno se povećava brzina apsorpcije metalnih materijala, te se počinje primjenjivati ​​u materijalima s visokom reflektivnošću, prvo primijenjenim u 3C polju;

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

Poluvodički laser: Pojačivač je poluvodički PN spoj, a valna duljina poluvodičkog lasera je uglavnom 976 nm. Trenutno se poluvodički laseri bliskog infracrvenog zračenja uglavnom koriste za oblaganje, sa svjetlosnim točkama iznad 600 μm. Laserline je reprezentativno poduzeće poluvodičkih lasera.

Klasificirano prema obliku djelovanja energije: Pulsni laser (PULSE), kvazikontinuirani laser (QCW), kontinuirani laser (CW)

Pulsni laser: nanosekundni, pikosekundni, femtosekundni, ovaj visokofrekventni pulsni laser (ns, širina impulsa) često može postići visoku vršnu energiju, visokofrekventnu (MHZ) obradu, koristi se za obradu tankih bakrenih i aluminijskih različitih materijala, kao i uglavnom za čišćenje. Korištenjem visoke vršne energije može brzo rastopiti osnovni materijal, s kratkim vremenom djelovanja i malom zonom utjecaja topline. Ima prednosti u obradi ultra tankih materijala (ispod 0,5 mm);

Kvazikontinuirani laser (QCW): Zbog visoke brzine ponavljanja i niskog radnog ciklusa (ispod 50%), širina impulsaQCW laserdoseže 50 us-50 ms, popunjavajući prazninu između kontinuiranog vlaknastog lasera kilovatne razine i Q-prekidačkog pulsnog lasera; Vršna snaga kvazi-kontinuiranog vlaknastog lasera može doseći 10 puta veću od prosječne snage u kontinuiranom načinu rada. QCW laseri općenito imaju dva načina rada, jedan je kontinuirano zavarivanje pri maloj snazi, a drugi je pulsno lasersko zavarivanje s vršnom snagom od 10 puta većom od prosječne snage, što može postići deblje materijale i više topline zavarivanja, a istovremeno kontrolira toplinu unutar vrlo malog raspona;

Kontinuirani laser (CW): Ovo je najčešće korišteni laser, a većina lasera koji se vide na tržištu su CW laseri koji kontinuirano emitiraju laser za zavarivanje. Vlaknasti laseri dijele se na jednomodne i višemodne lasere prema različitim promjerima jezgre i kvalitetama snopa te se mogu prilagoditi različitim scenarijima primjene.