Princip laserske generacije

Zakaj moramo poznati princip delovanja laserjev?

Poznavanje razlik med običajnimi polprevodniškimi laserji, vlakni, diski inYAG laserlahko pomaga tudi pri boljšem razumevanju in sodeluje v več razpravah med izbirnim postopkom.

Članek se v glavnem osredotoča na poljudno znanost: kratek uvod v načelo laserske generacije, glavno strukturo laserjev in več običajnih vrst laserjev.

Prvič, princip laserske generacije

Laser nastane z interakcijo med svetlobo in snovjo, znano kot ojačanje stimuliranega sevanja; Razumevanje ojačanja stimuliranega sevanja zahteva razumevanje Einsteinovih konceptov spontane emisije, stimulirane absorpcije in stimuliranega sevanja ter nekaj potrebnih teoretičnih temeljev.

Teoretična osnova 1: Bohrov model

Bohrov model zagotavlja predvsem notranjo strukturo atomov, kar olajša razumevanje nastanka laserjev. Atom je sestavljen iz jedra in elektronov zunaj jedra, orbitale elektronov pa niso poljubne. Elektroni imajo samo določene orbitale, med katerimi se najbolj notranja orbitala imenuje osnovno stanje; Če je elektron v osnovnem stanju, je njegova energija najmanjša. Če elektron skoči iz orbite, se to imenuje prvo vzbujeno stanje, energija prvega vzbujenega stanja pa bo višja od energije osnovnega stanja; Druga orbita se imenuje drugo vzbujeno stanje;

Razlog za pojav laserja je v tem, da se bodo elektroni v tem modelu gibali v različnih orbitah. Če elektroni absorbirajo energijo, lahko tečejo iz osnovnega stanja v vzbujeno stanje; Če se elektron vrne iz vzbujenega stanja v osnovno stanje, bo sprostil energijo, ki se pogosto sprosti v obliki laserja.

Teoretična osnova 2: Einsteinova teorija stimuliranega sevanja

Leta 1917 je Einstein predlagal teorijo stimuliranega sevanja, ki je teoretična osnova za laserje in lasersko proizvodnjo: absorpcija ali emisija snovi je v bistvu rezultat interakcije med poljem sevanja in delci, ki sestavljajo snov, ter njenim jedrom. bistvo je prehajanje delcev med različnimi energijskimi nivoji. V interakciji med svetlobo in snovjo obstajajo trije različni procesi: spontana emisija, stimulirana emisija in stimulirana absorpcija. Za sistem, ki vsebuje veliko število delcev, ti trije procesi vedno obstajajo sočasno in so tesno povezani.

Spontana emisija:

Kot je prikazano na sliki: elektron na visokoenergijskem nivoju E2 spontano preide na nizkoenergijski nivo E1 in odda foton z energijo hv, in hv=E2-E1; Ta spontani in nepovezani prehodni proces se imenuje spontani prehod, svetlobni valovi, ki jih oddajajo spontani prehodi, pa se imenujejo spontano sevanje.

Značilnosti spontane emisije: Vsak foton je neodvisen, z različnimi smermi in fazami, naključen je tudi čas pojavljanja. Spada med nekoherentno in kaotično svetlobo, ki ni svetloba, ki jo zahteva laser. Zato mora postopek laserskega ustvarjanja zmanjšati to vrsto razpršene svetlobe. To je tudi eden od razlogov, zakaj ima valovna dolžina različnih laserjev razpršeno svetlobo. Če je dobro nadzorovan, lahko delež spontane emisije v laserju zanemarimo. Čistejši kot je laser, na primer 1060 nm, je vseh 1060 nm. Ta vrsta laserja ima razmeroma stabilno stopnjo absorpcije in moč.

Stimulirana absorpcija:

Elektroni na nizkih energijskih nivojih (nizke orbitale) po absorbciji fotonov prehajajo na višje energijske nivoje (visoke orbitale), ta proces pa imenujemo stimulirana absorpcija. Spodbujena absorpcija je ključna in eden ključnih črpalnih procesov. Vir črpalke laserja zagotavlja fotonsko energijo, ki povzroči prehod delcev v pridobitvenem mediju in čakanje na stimulirano sevanje na višjih ravneh energije, ki oddaja laser.

Stimulirano sevanje:

Ko ga obseva svetloba zunanje energije (hv=E2-E1), elektron na visokem energijskem nivoju vzbudi zunanji foton in preskoči na nizki energijski nivo (visoka orbita teče v nizko orbito). Hkrati oddaja foton, ki je popolnoma enak zunanjemu fotonu. Ta proces ne absorbira prvotne vzbujalne svetlobe, zato bosta obstajala dva enaka fotona, kar lahko razumemo, kot da elektron izpljune prej absorbirani foton. Ta proces luminiscence imenujemo stimulirano sevanje, kar je obraten proces stimulirane absorpcije.

Ko je teorija jasna, je zelo preprosto sestaviti laser, kot je prikazano na zgornji sliki: v normalnih pogojih materialne stabilnosti je velika večina elektronov v osnovnem stanju, elektroni v osnovnem stanju, laser pa je odvisen od stimulirano sevanje. Zato je struktura laserja takšna, da najprej omogoči stimulirano absorpcijo, ki pripelje elektrone na visoko energijsko raven, nato pa zagotovi vzbujanje, ki povzroči, da se veliko število elektronov z visoko energijsko stopnjo podvrže stimuliranemu sevanju, pri čemer se sproščajo fotoni. se lahko ustvari laser. Nato bomo predstavili lasersko strukturo.

Struktura laserja:

Povežite strukturo laserja s prej omenjenimi pogoji laserskega ustvarjanja:

Pogoj nastanka in ustrezna struktura:

1. Obstaja ojačitveni medij, ki zagotavlja učinek ojačanja kot delovni medij laserja, njegovi aktivirani delci pa imajo strukturo energijske ravni, ki je primerna za generiranje stimuliranega sevanja (v glavnem lahko črpajo elektrone v visokoenergijske orbitale in obstajajo določeno časovno obdobje , nato pa sprosti fotone v enem vdihu skozi stimulirano sevanje);

2. Obstaja zunanji vir vzbujanja (vir črpanja), ki lahko črpa elektrone z nižje ravni na zgornjo raven, kar povzroči inverzijo števila delcev med zgornjo in spodnjo ravnjo laserja (tj. ko je več visokoenergijskih delcev kot nizkoenergijski delci), kot je ksenonska žarnica v laserjih YAG;

3. Obstaja resonančna votlina, ki lahko doseže lasersko nihanje, poveča delovno dolžino laserskega delovnega materiala, zasloni način svetlobnega valovanja, nadzoruje smer širjenja žarka, selektivno ojača frekvenco stimuliranega sevanja za izboljšanje monokromatičnosti (zagotavljanje, da laser oddaja določeno energijo).

Ustrezna struktura je prikazana na zgornji sliki, ki je preprosta struktura laserja YAG. Druge strukture so morda bolj zapletene, a jedro je to. Postopek generiranja laserja je prikazan na sliki:

Klasifikacija laserja: na splošno razvrščena glede na medij ojačitve ali obliko energije laserja

Pridobite srednjo razvrstitev:

Laser z ogljikovim dioksidom: Ojačevalni medij laserja z ogljikovim dioksidom je helij inCO2 laser,z lasersko valovno dolžino 10,6 um, ki je eden prvih laserskih izdelkov, ki so bili predstavljeni. Prvotno lasersko varjenje je temeljilo predvsem na laserju z ogljikovim dioksidom, ki se trenutno uporablja predvsem za varjenje in rezanje nekovinskih materialov (tkanine, plastika, les itd.). Poleg tega se uporablja tudi na litografskih strojih. Laserja z ogljikovim dioksidom ni mogoče prenesti skozi optična vlakna in potuje po prostorskih optičnih poteh. Najzgodnejši Tongkuai je bil izveden razmeroma dobro in uporabljeno je bilo veliko opreme za rezanje;

YAG (itrijevo-aluminijev granatni) laser: kristali YAG, dopirani s kovinskimi ioni neodija (Nd) ali itrija (Yb), se uporabljajo kot medij za pridobitev laserja z valovno dolžino emisije 1,06 um. Laser YAG lahko odda višje impulze, vendar je povprečna moč nizka, konična moč pa lahko doseže 15-kratno povprečno moč. Če gre večinoma za impulzni laser, neprekinjenega izhoda ni mogoče doseči; Vendar se lahko prenaša prek optičnih vlaken, hkrati pa se stopnja absorpcije kovinskih materialov poveča in se začne uporabljati v materialih z visoko odbojnostjo, ki so bili prvič uporabljeni v polju 3C;

Fiber laser: Trenutni glavni tok na trgu uporablja vlakna, dopirana z iterbijem, kot ojačitveni medij z valovno dolžino 1060 nm. Nadalje se glede na obliko medija deli na optične in diskovne laserje; Optična vlakna predstavljajo IPG, medtem ko disk predstavlja Tongkuai.

Polprevodniški laser: Ojačevalni medij je polprevodniški PN spoj, valovna dolžina polprevodniškega laserja pa je večinoma 976 nm. Trenutno se polprevodniški skoraj infrardeči laserji uporabljajo predvsem za obloge s svetlobnimi pikami nad 600 um. Laserline je reprezentativno podjetje za polprevodniške laserje.

Razvrščeni glede na obliko energijskega delovanja: impulzni laser (PULSE), kvazikontinuirani laser (QCW), kontinuirani laser (CW)

Impulzni laser: nanosekundni, pikosekundni, femtosekundni, ta visokofrekvenčni impulzni laser (ns, impulzna širina) lahko pogosto doseže visoko temensko energijo, visokofrekvenčno (MHZ) obdelavo, uporablja se za obdelavo tankih bakrenih in aluminijastih različnih materialov, kot tudi za čiščenje večinoma . Z uporabo visoke konične energije lahko hitro stopi osnovni material z nizkim časom delovanja in majhnim območjem vpliva toplote. Ima prednosti pri obdelavi ultratankih materialov (pod 0,5 mm);

Kvazikontinuirni laser (QCW): Zaradi visoke stopnje ponavljanja in nizkega delovnega cikla (pod 50 %) je širina impulzaQCW laserdoseže 50 us-50 ms in zapolni vrzel med neprekinjenim optičnim laserjem na kilovatni ravni in impulznim laserjem s preklopom Q; Najvišja moč kvazi neprekinjenega laserja z vlakni lahko doseže 10-kratno povprečno moč pri neprekinjenem delovanju. Laserji QCW imajo na splošno dva načina, eden je neprekinjeno varjenje pri nizki moči, drugi pa je pulzno lasersko varjenje s konično močjo 10-kratne povprečne moči, ki lahko doseže debelejše materiale in varjenje z večjo toploto, hkrati pa nadzoruje toploto znotraj zelo majhen obseg;

Neprekinjeni laser (CW): To je najpogosteje uporabljen in večina laserjev na trgu je CW laserjev, ki neprekinjeno oddajajo laser za varilno obdelavo. Vlakneni laserji so razdeljeni na enomodne in večmodne laserje glede na različne premere jedra in kakovost žarka ter jih je mogoče prilagoditi različnim scenarijem uporabe.