Načelo laserske generacije

Zakaj moramo poznati načelo delovanja laserjev?

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

Članek se osredotoča predvsem na poljudnoznanstvene teme: kratek uvod v načelo generacije laserja, glavno strukturo laserjev in več pogostih vrst laserjev.

Prvič, načelo laserske generacije

Laser nastane z interakcijo med svetlobo in snovjo, znano kot ojačitev stimuliranega sevanja; Razumevanje ojačitve stimuliranega sevanja zahteva razumevanje Einsteinovih konceptov spontane emisije, stimulirane absorpcije in stimuliranega sevanja, pa tudi nekaterih potrebnih teoretičnih osnov.

Teoretična osnova 1: Bohrov model

Bohrov model v glavnem zagotavlja notranjo strukturo atomov, kar olajša razumevanje nastanka laserjev. Atom je sestavljen iz jedra in elektronov zunaj jedra, orbitale elektronov pa niso poljubne. Elektroni imajo le določene orbitale, med katerimi se najnotranja orbitala imenuje osnovno stanje; če je elektron v osnovnem stanju, ima najnižjo energijo. Če elektron skoči iz orbite, se imenuje prvo vzbujeno stanje, energija prvega vzbujenega stanja pa bo višja od energije osnovnega stanja; druga orbita se imenuje drugo vzbujeno stanje;

Razlog za nastanek laserja je v tem modelu, da se elektroni gibljejo po različnih orbitah. Če elektroni absorbirajo energijo, lahko preidejo iz osnovnega v vzbujeno stanje; če se elektron vrne iz vzbujenega v osnovno stanje, sprosti energijo, ki se pogosto sprosti v obliki laserja.

Teoretična osnova 2: Einsteinova teorija stimuliranega sevanja

Leta 1917 je Einstein predlagal teorijo vzbujenega sevanja, ki je teoretična osnova za laserje in proizvodnjo laserjev: absorpcija ali emisija snovi je v bistvu posledica interakcije med sevalnim poljem in delci, ki sestavljajo snov, njeno bistvo pa je prehod delcev med različnimi energijskimi nivoji. V interakciji med svetlobo in snovjo obstajajo trije različni procesi: spontana emisija, vzbujena emisija in vzbujena absorpcija. Za sistem, ki vsebuje veliko število delcev, ti trije procesi vedno sobivajo in so tesno povezani.

Spontana emisija:

Kot je prikazano na sliki: elektron na visokoenergijski ravni E2 spontano preide na nizkoenergijsko raven E1 in odda foton z energijo hv, pri čemer je 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, čas pojava pa je prav tako naključen. Spada v nekoherentno in kaotično svetlobo, ki ni svetloba, ki jo laser potrebuje. Zato mora postopek generiranja laserja zmanjšati to vrsto razpršene svetlobe. To je tudi eden od razlogov, zakaj valovne dolžine različnih laserjev vsebujejo razpršeno svetlobo. Če je delež spontane emisije v laserju dobro nadzorovan, ga lahko zanemarimo. Čim čistejši je laser, na primer 1060 nm, tem bolj je 1060 nm. Ta vrsta laserja ima relativno stabilno stopnjo absorpcije in moč.

Stimulirana absorpcija:

Elektroni na nizkih energijskih nivojih (nizke orbitale) po absorpciji fotonov preidejo na višje energijske nivoje (visoke orbitale), ta proces pa se imenuje stimulirana absorpcija. Stimulirana absorpcija je ključna in eden ključnih črpalnih procesov. Črpalni vir laserja zagotavlja energijo fotonov, ki povzroči prehod delcev v ojačevalnem mediju in čakanje na stimulirano sevanje na višjih energijskih nivojih, kar oddaja laser.

Stimulirano sevanje:

Ko je elektron obsevan s svetlobo zunanje energije (hv=E2-E1), zunanji foton vzbudi elektron na visoki energijski ravni in ta skoči na nizko energijsko raven (visoka orbita teče v nizko orbito). Hkrati odda foton, ki je popolnoma enak zunanjemu fotonu. Ta proces ne absorbira prvotne vzbujevalne svetlobe, zato bosta nastala dva enaka fotona, kar lahko razumemo kot izpljunitev prej absorbiranega fotona. Ta proces luminiscence se imenuje stimulirano sevanje in je obraten proces stimulirane absorpcije.

Ko je teorija jasna, je zelo preprosto zgraditi laser, kot je prikazano na zgornji sliki: v normalnih pogojih stabilnosti materiala je velika večina elektronov v osnovnem stanju, laser pa je odvisen od stimuliranega sevanja. Zato je struktura laserja zasnovana tako, da najprej omogoči stimulirano absorpcijo, ki elektrone pripelje na visoko energijsko raven, nato pa zagotovi vzbujanje, ki povzroči, da veliko število elektronov na visoko energijski ravni prejme stimulirano sevanje in sprosti fotone. Iz tega lahko ustvarimo laser. Nato bomo predstavili strukturo laserja.

Struktura laserja:

Postopoma povežite strukturo laserja s prej omenjenimi pogoji za generiranje laserja:

Pogoj nastanka in ustrezna struktura:

1. Delovni medij laserja je ojačevalni medij, ki zagotavlja ojačevalni učinek, njegovi aktivirani delci pa imajo energijsko strukturo, primerno za ustvarjanje stimuliranega sevanja (predvsem so sposobni črpati elektrone v visokoenergijske orbitale in obstajati določen čas, nato pa s stimuliranim sevanjem v enem samem vdihu sprostiti fotone);

2. Obstaja zunanji vir vzbujanja (črpalni vir), ki lahko črpa elektrone iz spodnjega nivoja na zgornji nivo, kar povzroči inverzijo števila delcev med zgornjim in spodnjim nivojem laserja (tj. ko je več visokoenergijskih delcev kot nizkoenergijskih delcev), kot je na primer ksenonska svetilka v YAG laserjih;

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

Ustrezna struktura je prikazana na zgornji sliki, ki predstavlja preprosto strukturo YAG laserja. Druge strukture so lahko bolj zapletene, vendar je bistvo naslednje. Postopek generiranja laserja je prikazan na sliki:

Klasifikacija laserjev: na splošno razvrščena glede na ojačanje medija ali obliko laserske energije

Klasifikacija srednjega ojačanja:

Laser z ogljikovim dioksidomOjačevalni medij ogljikovodioksidnega laserja je helij inCO2 laser,z lasersko valovno dolžino 10,6 μm, kar je eden najzgodnejših laserskih izdelkov, ki so bili predstavljeni. Zgodnje lasersko varjenje je temeljilo predvsem na ogljikovodioksidnem laserju, ki se trenutno uporablja predvsem za varjenje in rezanje nekovinskih materialov (tkanin, plastike, lesa itd.). Poleg tega se uporablja tudi na litografskih strojih. Ogljikovodioksidni laser se ne more prenašati skozi optična vlakna in potuje po prostorskih optičnih poteh. Najzgodnejši Tongkuai je bil relativno dobro izdelan in uporabljeno je bilo veliko rezalne opreme;

YAG (itrij-aluminijev granat) laser: Kot laserski ojačevalni medij se uporabljajo kristali YAG, dopirani z neodimovimi (Nd) ali itrijevimi (Yb) kovinskimi ioni, z valovno dolžino emisije 1,06 μm. YAG laser lahko oddaja višje impulze, vendar je povprečna moč nizka, najvišja moč pa lahko doseže 15-kratnik povprečne moči. Če gre predvsem za impulzni laser, ni mogoče doseči neprekinjenega izhoda; vendar se lahko prenaša skozi optična vlakna, hkrati pa se poveča stopnja absorpcije kovinskih materialov, zato se začenja uporabljati v materialih z visoko odbojnostjo, najprej v polju 3C;

Vlaknasti laser: Trenutno na trgu prevladuje vlakna, dopirana z iterbijem, kot ojačevalni medij z valovno dolžino 1060 nm. Glede na obliko medija se nadalje delijo na vlaknaste in diskovne laserje; optična vlakna predstavljajo IPG, diskovni pa Tongkuai.

Polprevodniški laser: Ojačevalni medij je polprevodniški PN spoj, valovna dolžina polprevodniškega laserja pa je večinoma 976 nm. Trenutno se polprevodniški laserji v bližnjem infrardečem območju uporabljajo predvsem za oblaganje, s svetlobnimi pikami nad 600 μm. Laserline je reprezentativno podjetje za polprevodniške laserje.

Razvrščeno po obliki delovanja energije: pulzni laser (PULSE), kvazikontinuirani laser (QCW), neprekinjen laser (CW)

Pulzni laser: nanosekundni, pikosekundni, femtosekundni, ta visokofrekvenčni pulzni laser (ns, širina impulza) lahko pogosto doseže visoko temensko energijo, visokofrekvenčno (MHZ) obdelavo, uporablja se za obdelavo tankih bakrenih in aluminijevih raznovrstnih materialov, predvsem pa za čiščenje. Z uporabo visoke temenske energije lahko hitro stopi osnovni material, s kratkim časom delovanja in majhnim območjem vpliva toplote. Ima prednosti pri obdelavi ultra tankih materialov (pod 0,5 mm);

Kvazikontinuirni laser (QCW): Zaradi visoke frekvence ponovitve in nizkega delovnega cikla (pod 50 %) je širina impulzaQCW laserdoseže 50 us-50 ms, s čimer zapolni vrzel med kilovatnim kontinuirnim vlakenskim laserjem in pulznim laserjem s preklopom Q; Najvišja moč kvazi kontinuirnega vlakenskega laserja lahko doseže 10-kratnik povprečne moči v neprekinjenem načinu delovanja. QCW laserji imajo običajno dva načina delovanja, eden je neprekinjeno varjenje pri nizki moči, drugi pa je pulzno lasersko varjenje z največjo močjo 10-kratnika povprečne moči, kar omogoča debelejše materiale in več toplotnega varjenja, hkrati pa nadzoruje toploto v zelo majhnem območju;

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