Lazerio generavimo principas

Kodėl mums reikia žinoti lazerių veikimo principą?

Žinant skirtumus tarp įprastų puslaidininkinių lazerių, skaidulų, diskų ir kt.YAG lazeristaip pat gali padėti geriau suprasti ir dalyvauti daugiau diskusijų atrankos proceso metu.

Straipsnyje daugiausia dėmesio skiriama populiariajam mokslui: trumpai pristatomas lazerio generavimo principas, pagrindinė lazerių struktūra ir keli įprasti lazerių tipai.

Pirma, lazerio generavimo principas

Lazeris generuojamas šviesos ir materijos sąveikos metu, tai vadinama stimuliuojamos spinduliuotės stiprinimu; Norint suprasti stimuliuojamos spinduliuotės stiprinimą, reikia suprasti Einšteino savaiminės emisijos, stimuliuojamos absorbcijos ir stimuliuojamos spinduliuotės sąvokas, taip pat kai kuriuos būtinus teorinius pagrindus.

Teorinis pagrindas 1: Boro modelis

Boro modelis daugiausia pateikia atomų vidinę struktūrą, todėl lengva suprasti, kaip atsiranda lazeriai. Atomas sudarytas iš branduolio ir elektronų už branduolio ribų, o elektronų orbitalės nėra savavališkos. Elektronai turi tik tam tikras orbitales, tarp kurių giliausia orbitalė vadinama pagrindine būsena; 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 už pagrindinės būsenos energiją; Kita orbita vadinama antrąja sužadinta būsena;

Lazerio bangos atsiranda dėl to, kad šiame modelyje elektronai judės skirtingomis orbitomis. Jei elektronai sugeria energiją, jie gali pereiti iš pagrindinės būsenos į sužadintą būseną; jei elektronas grįžta iš sužadintos būsenos į pagrindinę būseną, jis išskiria energiją, kuri dažnai išsiskiria lazerio pavidalu.

Teorinis pagrindas 2: Einšteino stimuliuojamos spinduliuotės teorija

1917 m. Einšteinas pasiūlė stimuliuojamosios spinduliuotės teoriją, kuri yra lazerių ir lazerių gamybos teorinis pagrindas: materijos absorbcija arba emisija iš esmės yra spinduliuotės lauko ir materiją sudarančių dalelių sąveikos rezultatas, o jos pagrindinė esmė yra dalelių perėjimas tarp skirtingų energijos lygmenų. Šviesos ir materijos sąveikoje vyksta trys skirtingi procesai: savaiminė emisija, stimuliuojamoji emisija ir stimuliuojamoji absorbcija. Sistemoje, kurioje yra daug dalelių, šie trys procesai visada egzistuoja kartu ir yra glaudžiai susiję.

Spontaninė emisija:

Kaip parodyta paveiksle: elektronas, esantis aukšto energijos lygmenyje E2, savaime pereina į žemo energijos lygmenį E1 ir išspinduliuoja fotoną, kurio energija yra hv, ir hv = E2 - E1; Šis savaiminis ir nesusijęs perėjimo procesas vadinamas savaiminiu perėjimu, o savaiminių perėjimų skleidžiamos šviesos bangos vadinamos savaimine spinduliuote.

Savaiminės emisijos charakteristikos: kiekvienas fotonas yra nepriklausomas, turi skirtingas kryptis ir fazes, o atsiradimo laikas taip pat yra atsitiktinis. Tai priklauso nekoherenčiai ir chaotiškai šviesai, kurios lazeriui nereikia. Todėl lazerio generavimo procesas turi sumažinti šio tipo išsklaidytą šviesą. Tai taip pat yra viena iš priežasčių, kodėl įvairių lazerių bangos ilgis turi išsklaidytą šviesą. Jei gerai kontroliuojama, savaiminės emisijos dalį lazeryje galima ignoruoti. Kuo grynesnis lazeris, pavyzdžiui, 1060 nm, tuo jis visas yra 1060 nm bangos ilgio. Šio tipo lazeris pasižymi santykinai stabiliu sugerties greičiu ir galia.

Stimuliuota absorbcija:

Žemo energijos lygio (žemos orbitalės) elektronai, sugėrę fotonus, pereina į aukštesnio energijos lygio (aukštos orbitalės) elektronus, ir šis procesas vadinamas stimuliuojama absorbcija. Stimuliuota absorbcija yra labai svarbi ir vienas iš pagrindinių kaupinimo procesų. Lazerio kaupinimo šaltinis tiekia fotonų energiją, kad dalelės stiprinimo terpėje pereitų į būseną ir lauktų stimuliuojamos spinduliuotės aukštesniame energijos lygmenyje, spinduliuodamos lazerį.

Stimuliuota spinduliuotė:

Kai elektroną apšvitina išorinės energijos šviesa (hv=E2-E1), jis sužadinamas išorinio fotono ir pereina į žemo energijos lygmens elektroną (aukšta orbita pereina į žemą). Tuo pačiu metu jis išspinduliuoja fotoną, kuris yra visiškai toks pat kaip ir išorinis fotonas. Šio proceso metu pradinė sužadinimo šviesa nesugeriama, todėl susidaro du identiški fotonai, o tai galima suprasti taip, kad elektronas išspjauna anksčiau sugertą fotoną. Šis liuminescencijos procesas vadinamas stimuliuojama spinduliuote, kuri yra atvirkštinis stimuliuojamos absorbcijos procesas.

Aiškinus teoriją, lazerį sukonstruoti labai paprasta, kaip parodyta aukščiau esančiame paveikslėlyje: normaliomis medžiagos stabilumo sąlygomis didžioji dauguma elektronų yra pagrindinėje būsenoje, elektronai yra pagrindinėje būsenoje, o lazeris priklauso nuo stimuliuotos spinduliuotės. Todėl lazerio struktūra yra tokia, kad pirmiausia vyktų stimuliuota absorbcija, elektronai pasiektų aukštą energijos lygį, o tada būtų sužadintas, kad daug aukšto energijos lygio elektronų būtų stimuliuojami, išskirdami fotonus. Taip galima generuoti lazerį. Toliau pristatysime lazerio struktūrą.

Lazerio struktūra:

Paeiliui suderinkite lazerio struktūrą su anksčiau minėtomis lazerio generavimo sąlygomis:

Atsiradimo sąlyga ir atitinkama struktūra:

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

2. Yra išorinis sužadinimo šaltinis (siurblio šaltinis), kuris gali pumpuoti elektronus iš apatinio lygmens į viršutinį lygmenį, sukeldamas dalelių skaičiaus inversiją tarp viršutinio ir apatinio lazerio lygmenų (t. y. kai didelės energijos dalelių yra daugiau nei mažos energijos dalelių), pavyzdžiui, ksenono lempa YAG lazeriuose;

3. Yra rezonansinė ertmė, kuri gali pasiekti lazerio osciliaciją, padidinti lazerio darbinės medžiagos darbinį ilgį, ekranuoti šviesos bangos režimą, valdyti spindulio sklidimo kryptį, selektyviai sustiprinti stimuliuojamos spinduliuotės dažnį, kad pagerėtų monochromatinis efektas (užtikrinant, kad lazeris būtų išvestas 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:

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

Vidutinės klasės įgijimas:

Anglies dioksido lazerisAnglies dioksido lazerio stiprinimo terpė yra helis irCO2 lazeris,su 10,6 μm lazerio bangos ilgiu, kuris yra vienas iš ankstyviausių lazerinių gaminių, pristatytų rinkai. Ankstyvasis lazerinis suvirinimas daugiausia buvo pagrįstas anglies dioksido lazeriu, kuris šiuo metu daugiausia naudojamas nemetalinėms medžiagoms (audiniams, plastikams, medienai ir kt.) suvirinti ir pjauti. Be to, jis taip pat naudojamas litografijos mašinose. Anglies dioksido lazeris negali būti perduodamas per optinius pluoštus ir sklinda erdviniais optiniais keliais. Ankstyviausias Tongkuai buvo gana gerai atliktas ir buvo naudojama daug pjovimo įrangos;

YAG (itrio aliuminio granato) lazeris: kaip lazerio stiprinimo terpė naudojami YAG kristalai, legiruoti neodimio (Nd) arba itrio (Yb) metalo jonais, o emisijos bangos ilgis yra 1,06 μm. YAG lazeris gali skleisti didesnius impulsus, tačiau vidutinė galia yra maža, o didžiausia galia gali siekti 15 kartų didesnę už vidutinę galią. Jei tai daugiausia impulsinis lazeris, nuolatinio išėjimo pasiekti neįmanoma; tačiau jį galima perduoti optinėmis skaidulomis, tuo pačiu metu padidėja metalinių medžiagų sugerties greitis, todėl jis pradedamas taikyti didelio atspindžio medžiagose, pirmiausia 3C srityje;

Skaidulinis lazeris: šiuo metu rinkoje esantis lazeris naudoja iterbio legiruotą šviesolaidį kaip stiprinimo terpę, kurios bangos ilgis yra 1060 nm. Pagal terpės formą jis dar skirstomas į šviesolaidinius ir diskinius lazerius; šviesolaidinis lazeris atitinka IPG, o diskinis – Tongkuai.

Puslaidininkinis lazeris: stiprinimo terpė yra puslaidininkinė PN sandūra, o puslaidininkinio lazerio bangos ilgis daugiausia yra 976 nm. Šiuo metu puslaidininkiniai artimojo infraraudonojo spektro lazeriai daugiausia naudojami plakiravimui, o šviesos dėmės yra didesnės nei 600 μm. „Laserline“ yra puslaidininkinių lazerių atstovė.

Klasifikuojama pagal energijos veikimo formą: impulsinis lazeris (PULSE), kvazinotolarus (QCW), nuolatinis lazeris (CW)

Impulsinis lazeris: nanosekundinis, pikosekundinis, femtosekundinis – šis aukšto dažnio impulsinis lazeris (ns, impulso plotis) dažnai gali pasiekti didelę maksimalią energiją, aukšto dažnio (MHZ) apdorojimą, naudojamas plonoms vario ir aliuminio skirtingoms medžiagoms apdirbti, taip pat daugiausia valymui. Naudodamas didelę maksimalią energiją, jis gali greitai išlydyti pagrindinę medžiagą, pasižymi trumpu veikimo laiku ir maža karščio paveikta zona. Jis turi pranašumų apdorojant itin plonas medžiagas (mažesnes nei 0,5 mm);

Kvazinuolatinis lazeris (QCW): Dėl didelio pasikartojimo dažnio ir mažo darbo ciklo (mažesnio nei 50 %) impulsų plotisQCW lazerisPasiekia 50 μs-50 ms, užpildydamas spragą tarp kilovatų lygio nepertraukiamo pluošto lazerio ir Q jungiklio impulsinio lazerio; Kvazi-nepertraukiamo pluošto lazerio maksimali galia, veikiant nepertraukiamu režimu, gali siekti 10 kartų didesnę nei vidutinė galia. QCW lazeriai paprastai turi du režimus: vienas yra nepertraukiamas suvirinimas maža galia, o kitas yra impulsinis lazerinis suvirinimas, kurio maksimali galia yra 10 kartų didesnė už vidutinę galią, todėl galima gauti storesnes medžiagas ir didesnį šilumos suvirinimą, tuo pačiu kontroliuojant šilumą labai mažame diapazone;

Nuolatinis lazeris (CW): Tai dažniausiai naudojamas lazeris, ir dauguma rinkoje esančių lazerių yra nuolatinio veikimo lazeriai, kurie nuolat skleidžia lazerinį spindulį suvirinimo apdorojimui. Skaiduliniai lazeriai skirstomi į vienmodžius ir daugiamodžius lazerius pagal skirtingus šerdies skersmenis ir spindulio savybes, ir gali būti pritaikyti skirtingiems taikymo scenarijams.