Lazerio generavimo principas

Kodėl mums reikia žinoti lazerių veikimo principą?

Žinant skirtumus tarp įprastų puslaidininkinių lazerių, skaidulų, diskų irYAG lazeristaip pat gali padėti geriau suprasti ir įsitraukti į daugiau diskusijų atrankos procese.

Straipsnyje daugiausia dėmesio skiriama populiariajam mokslui: trumpai pristatomas lazerių generavimo principas, pagrindinė lazerių sandara ir keletas paplitusių lazerių tipų.

Pirma, lazerio generavimo principas

Lazeris sukuriamas sąveikaujant šviesai ir medžiagai, vadinamai stimuliuojamos spinduliuotės stiprinimas; Norint suprasti stimuliuojamos spinduliuotės stiprinimą, reikia suprasti Einšteino spontaniškos emisijos, stimuliuojamos absorbcijos ir stimuliuojamos spinduliuotės sampratas, taip pat kai kuriuos būtinus teorinius pagrindus.

1 teorinis pagrindas: Bohro modelis

Bohro modelis daugiausia pateikia vidinę atomų struktūrą, todėl lengva suprasti, kaip atsiranda lazeriai. Atomas sudarytas iš branduolio ir už branduolio esančių elektronų, o elektronų orbitos nėra savavališkos. Elektronai turi tik tam tikras orbitales, tarp kurių vidinė orbita vadinama pagrindine būkle; Jei elektronas yra pagrindinėje būsenoje, jo energija yra mažiausia. Jei elektronas iššoka iš orbitos, tai vadinama pirmąja sužadinta būsena, o pirmosios sužadintos būsenos energija bus didesnė nei pagrindinės būsenos; Kita orbita vadinama antrąja sužadinta būsena;

Lazeris gali atsirasti dėl to, kad elektronai šiame modelyje judės skirtingomis orbitomis. Jei elektronai sugeria energiją, jie gali pereiti iš pagrindinės būsenos į sužadinimo būseną; Jei elektronas grįžta iš sužadintos būsenos į pagrindinę būseną, jis išskirs energiją, kuri dažnai išleidžiama lazerio pavidalu.

2 teorinis pagrindas: Einšteino stimuliuojamos spinduliuotės teorija

1917 m. Einšteinas pasiūlė stimuliuojamos spinduliuotės teoriją, kuri yra teorinis lazerių ir lazerių gamybos pagrindas: medžiagos absorbcija arba emisija iš esmės yra spinduliuotės lauko ir dalelių, sudarančių materiją, ir jos šerdies sąveikos rezultatas. esmė – dalelių perėjimas tarp skirtingų energijos lygių. Šviesos ir materijos sąveikoje vyksta trys skirtingi procesai: spontaniška emisija, stimuliuojama emisija ir stimuliuojama absorbcija. Sistemoje, kurioje yra daug dalelių, šie trys procesai visada egzistuoja kartu ir yra glaudžiai susiję.

Spontaniška emisija:

Kaip parodyta paveiksle: elektronas, esantis didelės energijos lygyje E2, spontaniškai pereina į žemos energijos lygį E1 ir išspinduliuoja fotoną, kurio energija yra hv, o hv=E2-E1; Šis savaiminis ir nesusijęs perėjimo procesas vadinamas spontanišku perėjimu, o spontaniškų perėjimų skleidžiamos šviesos bangos vadinamos spontaniška spinduliuote.

Spontaninės emisijos charakteristikos: Kiekvienas fotonas yra nepriklausomas, turi skirtingas kryptis ir fazes, o atsiradimo laikas taip pat yra atsitiktinis. Ji priklauso nenuosekliai ir chaotiškai šviesai, kuri nėra ta šviesa, kurios reikalauja lazeris. Todėl lazerio generavimo procesas turi sumažinti tokio tipo išsklaidytą šviesą. Tai taip pat yra viena iš priežasčių, kodėl įvairių lazerių bangos ilgis turi išsklaidytą šviesą. Jei kontroliuojamas gerai, spontaniškos spinduliuotės dalį lazeryje galima nepaisyti. Kuo grynesnis lazeris, pvz., 1060 nm, tuo visas jis yra 1060 nm. Šio tipo lazeris pasižymi santykinai stabiliu absorbcijos greičiu ir galia.

Skatinama absorbcija:

Elektronai esant žemam energijos lygiui (žemos orbitalės), sugėrę fotonus, pereina į aukštesnius energijos lygius (aukštas orbitas), ir šis procesas vadinamas stimuliuojamąja absorbcija. Skatinama absorbcija yra labai svarbi ir vienas iš pagrindinių siurbimo procesų. Lazerio siurblio šaltinis tiekia fotonų energiją, kad padidinimo terpėje esančios dalelės pereintų ir lauktų aukštesnio energijos lygio stimuliuojamos spinduliuotės, skleidžiančios lazerį.

Stimuliuota spinduliuotė:

Apšvitintas išorinės energijos šviesa (hv=E2-E1), aukšto energijos lygio elektronas sužadinamas išorinio fotono ir peršoka į žemos energijos lygį (aukštoji orbita eina į žemąją orbitą). Tuo pačiu metu jis skleidžia fotoną, kuris yra lygiai toks pat kaip išorinis fotonas. Šis procesas nesugeria pradinės sužadinimo šviesos, todėl bus du identiški fotonai, kuriuos galima suprasti taip, kaip elektronas išspjauna anksčiau sugertą fotoną. Šis liuminescencijos procesas vadinamas stimuliuojama spinduliuote, o tai yra atvirkštinis stimuliuojamos sugerties procesas.

Kai teorija yra aiški, lazerį sukurti labai paprasta, kaip parodyta aukščiau esančiame paveikslėlyje: normaliomis medžiagos stabilumo sąlygomis didžioji dauguma elektronų yra pagrindinėje būsenoje, elektronai pagrindinėje būsenoje, o lazeris priklauso nuo stimuliuojama spinduliuotė. Todėl lazerio struktūra turi leisti pirmiausia įvykti stimuliuojamai absorbcijai, pakeliant elektronus į aukštą energijos lygį, o po to suteikiant sužadinimą, kad daugelis aukšto energijos lygio elektronų patirtų stimuliuojamą spinduliuotę, išlaisvindami fotonus. gali būti generuojamas lazeris. Toliau pristatysime lazerio struktūrą.

Lazerio struktūra:

Suderinkite lazerio struktūrą su anksčiau paminėtomis lazerio generavimo sąlygomis po vieną:

Atsiradimo sąlyga ir atitinkama struktūra:

1. Yra stiprinimo terpė, kuri suteikia stiprinimo efektą kaip lazerio darbo terpė, o jos aktyvuotos dalelės turi energijos lygio struktūrą, tinkamą stimuliuojamai spinduliuotei generuoti (daugiausia gali pumpuoti elektronus į didelės energijos orbitas ir egzistuoti tam tikrą laiką , o tada vienu įkvėpimu per stimuliuojamą spinduliuotę atpalaiduoja fotonus);

2. Yra išorinis sužadinimo šaltinis (siurblio šaltinis), kuris gali pumpuoti elektronus iš apatinio lygio į viršutinį lygį, sukeldamas dalelių skaičiaus inversiją tarp viršutinio ir apatinio lazerio lygių (ty kai yra daugiau didelės energijos dalelių nei mažos energijos dalelės), pvz., ksenono lempa YAG lazeriuose;

3. Yra rezonansinė ertmė, kuri gali pasiekti lazerio virpesius, padidinti lazerio darbinės medžiagos darbinį ilgį, ekranuoti šviesos bangos režimą, valdyti pluošto sklidimo kryptį, selektyviai sustiprinti stimuliuojamos spinduliuotės dažnį, kad būtų pagerintas monochromatiškumas (užtikrinant, kad lazeris išleidžiamas tam tikra energija).

Atitinkama struktūra parodyta aukščiau esančiame paveikslėlyje, kuris yra paprasta YAG lazerio struktūra. Kitos struktūros gali būti sudėtingesnės, tačiau esmė yra tokia. Lazerio generavimo procesas parodytas paveikslėlyje:

Lazerinė klasifikacija: paprastai klasifikuojama pagal stiprinimo terpę arba lazerio energijos formą

Gaukite vidutinę klasifikaciją:

Anglies dioksido lazeris: Anglies dioksido lazerio stiprinimo terpė yra helis irCO2 lazeris,su 10,6 um lazerio bangos ilgiu, kuris yra vienas iš anksčiausiai išleistų lazerinių gaminių. Ankstyvasis lazerinis suvirinimas daugiausia buvo pagrįstas anglies dioksido lazeriu, kuris šiuo metu daugiausia naudojamas suvirinant ir pjaustant nemetalines medžiagas (audinius, plastiką, medieną ir kt.). Be to, jis taip pat naudojamas litografijos mašinose. Anglies dioksido lazeris negali būti perduodamas per optines skaidulas ir keliauja erdviniais optiniais takais. Ankstyviausi Tongkuai buvo atlikti palyginti gerai, buvo naudojama daug pjovimo įrangos;

YAG (itrio aliuminio granato) lazeris: YAG kristalai, legiruoti neodimio (Nd) arba itrio (Yb) metalo jonais, naudojami kaip lazerio stiprinimo terpė, kurių emisijos bangos ilgis yra 1,06 um. YAG lazeris gali išvesti didesnius impulsus, tačiau vidutinė galia yra maža, o didžiausia galia gali siekti 15 kartų didesnę už vidutinę galią. Jei tai daugiausia impulsinis lazeris, nenutrūkstamos išvesties negalima pasiekti; Tačiau jis gali būti perduodamas per optinius pluoštus, o tuo pačiu metu padidėja metalinių medžiagų absorbcijos greitis, todėl jis pradedamas naudoti didelio atspindžio medžiagose, pirmą kartą pritaikytose 3C lauke;

Skaidulinis lazeris: dabartinė pagrindinė rinkos dalis kaip stiprinimo terpė naudoja iterbio legiruotą pluoštą, kurio bangos ilgis yra 1060 nm. Jis dar skirstomas į skaidulinius ir diskinius lazerius pagal terpės formą; Šviesolaidis reiškia IPG, o diskas - Tongkuai.

Puslaidininkinis lazeris: stiprinimo terpė yra puslaidininkio PN jungtis, o puslaidininkinio lazerio bangos ilgis daugiausia yra 976 nm. Šiuo metu puslaidininkiniai infraraudonųjų spindulių lazeriai daugiausia naudojami apkalimui, kurių šviesos dėmės viršija 600 um. „Laserline“ yra reprezentatyvi puslaidininkinių lazerių įmonė.

Klasifikuojamas pagal energijos veikimo formą: impulsinis lazeris (PULSE), beveik nuolatinis lazeris (QCW), nuolatinis lazeris (CW)

Impulsinis lazeris: nanosekundė, pikosekundė, femtosekundė, šis aukšto dažnio impulsinis lazeris (ns, impulso plotis) dažnai gali pasiekti aukštą didžiausią energiją, aukšto dažnio (MHZ) apdorojimą, naudojamas plonoms vario ir aliuminio skirtingoms medžiagoms apdoroti, taip pat dažniausiai valymui. . Naudodamas didelę didžiausią energiją, jis gali greitai ištirpdyti pagrindinę medžiagą, trumpą veikimo laiką ir mažą šilumos paveiktą zoną. Jis turi pranašumų apdorojant itin plonas medžiagas (žemiau 0,5 mm);

Beveik nenutrūkstamas lazeris (QCW): dėl didelio pasikartojimo dažnio ir mažo darbo ciklo (mažiau nei 50 %) impulso plotisQCW lazerispasiekia 50 us-50 ms, užpildydamas tarpą tarp kilovatų lygio nepertraukiamo skaidulinio lazerio ir Q perjungiamo impulsinio lazerio; Didžiausia beveik nepertraukiamo pluošto lazerio galia gali siekti 10 kartų didesnę nei vidutinė galia nepertraukiamu režimu. QCW lazeriai paprastai turi du režimus: vienas yra nepertraukiamas suvirinimas maža galia, o kitas yra impulsinis lazerinis suvirinimas, kurio didžiausia galia yra 10 kartų didesnė už vidutinę galią, todėl galima gauti storesnes medžiagas ir suvirinti daugiau šilumos, taip pat kontroliuoti šilumą labai mažas diapazonas;

Nepertraukiamasis lazeris (CW): tai yra dažniausiai naudojamas, o dauguma rinkoje matomų lazerių yra CW lazeriai, kurie nuolat skleidžia lazerį suvirinimui. Šviesolaidiniai lazeriai skirstomi į vienmodžius ir daugiamodius lazerius pagal skirtingus šerdies skersmenis ir pluošto savybes ir gali būti pritaikomi skirtingiems pritaikymo scenarijams.