Princíp generovania lasera

Prečo potrebujeme poznať princíp laserov?

Poznať rozdiely medzi bežnými polovodičovými lasermi, vláknami, diskami aYAG lasermôže tiež pomôcť získať lepšie pochopenie a zapojiť sa do viacerých diskusií počas výberového procesu.

Článok sa zameriava najmä na populárnu vedu: stručný úvod do princípu generovania lasera, hlavnej štruktúry laserov a niekoľkých bežných typov laserov.

Po prvé, princíp generovania lasera

Laser sa generuje prostredníctvom interakcie medzi svetlom a hmotou, známej ako zosilnenie stimulovaného žiarenia; Pochopenie zosilnenia stimulovaného žiarenia vyžaduje pochopenie Einsteinových konceptov spontánnej emisie, stimulovanej absorpcie a stimulovaného žiarenia, ako aj niektorých nevyhnutných teoretických základov.

Teoretický základ 1: Bohrov model

Bohrov model poskytuje hlavne vnútornú štruktúru atómov, vďaka čomu je ľahké pochopiť, ako sa lasery vyskytujú. Atóm sa skladá z jadra a elektrónov mimo jadra a orbitály elektrónov nie sú ľubovoľné. Elektróny majú iba určité orbitály, medzi ktorými sa najvnútornejší orbitál nazýva základný stav; Ak je elektrón v základnom stave, jeho energia je najnižšia. Ak elektrón vyskočí z obežnej dráhy, nazýva sa to prvý excitovaný stav a energia prvého excitovaného stavu bude vyššia ako energia základného stavu; Ďalšia dráha sa nazýva druhý excitovaný stav;

Dôvod, prečo sa môže vyskytnúť laser, je ten, že elektróny sa v tomto modeli budú pohybovať po rôznych dráhach. Ak elektróny absorbujú energiu, môžu prejsť zo základného stavu do excitovaného stavu; Ak sa elektrón vráti z excitovaného stavu do základného stavu, uvoľní energiu, ktorá sa často uvoľňuje vo forme lasera.

Teoretický základ 2: Einsteinova teória stimulovaného žiarenia

V roku 1917 Einstein navrhol teóriu stimulovaného žiarenia, ktorá je teoretickým základom pre lasery a výrobu laserov: absorpcia alebo emisia hmoty je v podstate výsledkom interakcie medzi radiačným poľom a časticami, ktoré tvoria hmotu, a jej jadrom. podstatou je prechod častíc medzi rôznymi energetickými hladinami. V interakcii medzi svetlom a hmotou existujú tri rôzne procesy: spontánna emisia, stimulovaná emisia a stimulovaná absorpcia. Pre systém obsahujúci veľké množstvo častíc tieto tri procesy vždy koexistujú a úzko súvisia.

Spontánna emisia:

Ako je znázornené na obrázku: elektrón na vysokoenergetickej hladine E2 spontánne prechádza na nízkoenergetickú hladinu E1 a vyžaruje fotón s energiou hv a hv=E2-E1; Tento spontánny a nesúvisiaci proces prechodu sa nazýva spontánny prechod a svetelné vlny emitované spontánnymi prechodmi sa nazývajú spontánne žiarenie.

Charakteristika spontánnej emisie: Každý fotón je nezávislý, s rôznymi smermi a fázami a čas výskytu je tiež náhodný. Patrí medzi nekoherentné a chaotické svetlo, ktoré nie je svetlom, ktoré vyžaduje laser. Proces generovania lasera preto potrebuje znížiť tento typ rozptýleného svetla. Aj to je jeden z dôvodov, prečo má vlnová dĺžka rôznych laserov rozptýlené svetlo. Ak je dobre kontrolovaný, podiel spontánnej emisie v laseri možno ignorovať. Čím čistejší je laser, napríklad 1060 nm, tým je celý 1060 nm. Tento typ lasera má relatívne stabilnú rýchlosť absorpcie a výkon.

Stimulovaná absorpcia:

Elektróny na nízkych energetických hladinách (nízke orbitály) po absorpcii fotónov prechádzajú na vyššie energetické hladiny (vysoké orbitály) a tento proces sa nazýva stimulovaná absorpcia. Stimulovaná absorpcia je kľúčová a je jedným z kľúčových procesov čerpania. Čerpadlový zdroj lasera poskytuje fotónovú energiu, aby spôsobil prechod častíc v zosilňovacom médiu a čakal na stimulované žiarenie s vyššími energetickými hladinami, ktoré vyžaruje laser.

Stimulované žiarenie:

Pri ožiarení svetlom vonkajšej energie (hv=E2-E1) je elektrón na vysokej energetickej hladine excitovaný vonkajším fotónom a preskočí na nízku energetickú hladinu (vysoká dráha prebieha na nízku dráhu). Zároveň vyžaruje fotón, ktorý je úplne rovnaký ako vonkajší fotón. Tento proces neabsorbuje pôvodné excitačné svetlo, takže budú existovať dva rovnaké fotóny, čo možno chápať tak, že elektrón vypľuje predtým absorbovaný fotón. Tento proces luminiscencie sa nazýva stimulované žiarenie, čo je opačný proces stimulovanej absorpcie.

Keď je teória jasná, je veľmi jednoduché postaviť laser, ako je znázornené na obrázku vyššie: za normálnych podmienok stability materiálu je veľká väčšina elektrónov v základnom stave, elektrónov v základnom stave a laser závisí od stimulované žiarenie. Štruktúra lasera má teda umožniť, aby najskôr nastala stimulovaná absorpcia, čím sa elektróny dostanú na vysokú energetickú úroveň a potom sa zabezpečí excitácia, ktorá spôsobí, že veľké množstvo elektrónov s vysokou energetickou úrovňou podstúpi stimulované žiarenie, čím sa uvoľnia fotóny. môže byť vytvorený laser. Ďalej si predstavíme štruktúru lasera.

Laserová štruktúra:

Zosúlaďte štruktúru lasera s podmienkami generovania lasera uvedenými vyššie jeden po druhom:

Podmienka výskytu a zodpovedajúca štruktúra:

1. Existuje zosilňovacie médium, ktoré poskytuje zosilňovací efekt ako pracovné médium lasera, a jeho aktivované častice majú štruktúru energetickej hladiny vhodnú na generovanie stimulovaného žiarenia (schopné hlavne pumpovať elektróny do vysokoenergetických orbitálov a existovať po určitú dobu a potom uvoľnite fotóny jedným dychom prostredníctvom stimulovaného žiarenia);

2. Existuje externý zdroj excitácie (zdroj pumpy), ktorý dokáže pumpovať elektróny z nižšej úrovne na hornú úroveň, čo spôsobuje inverziu počtu častíc medzi hornou a dolnou úrovňou lasera (t.j. keď je častíc s vysokou energiou viac ako nízkoenergetické častice), ako je xenónová lampa v YAG laseroch;

3. K dispozícii je rezonančná dutina, ktorá môže dosiahnuť osciláciu lasera, zväčšiť pracovnú dĺžku pracovného materiálu lasera, zatieniť režim svetelných vĺn, riadiť smer šírenia lúča, selektívne zosilniť frekvenciu stimulovaného žiarenia na zlepšenie monochromatičnosti (zabezpečiť, aby laser sa vydáva s určitou energiou).

Zodpovedajúca štruktúra je znázornená na obrázku vyššie, čo je jednoduchá štruktúra YAG lasera. Iné štruktúry môžu byť zložitejšie, ale jadro je toto. Proces generovania lasera je znázornený na obrázku:

Klasifikácia lasera: všeobecne klasifikovaná podľa média zosilnenia alebo podľa formy laserovej energie

Získajte strednú klasifikáciu:

Laser s oxidom uhličitým: Médium zisku lasera na báze oxidu uhličitého je hélium aCO2 laser,s vlnovou dĺžkou lasera 10,6 um, čo je jeden z prvých laserových produktov, ktoré boli uvedené na trh. Rané laserové zváranie bolo založené hlavne na oxide uhličitom laseri, ktorý sa v súčasnosti používa hlavne na zváranie a rezanie nekovových materiálov (tkaniny, plasty, drevo atď.). Okrem toho sa používa aj na litografických strojoch. Laser s oxidom uhličitým sa nedá prenášať cez optické vlákna a prechádza priestorovými optickými dráhami. Najskorší Tongkuai bol urobený relatívne dobre a bolo použité množstvo rezacích zariadení;

YAG (ytrium-aluminium garnet) laser: YAG kryštály dopované kovovými iónmi neodýmu (Nd) alebo ytria (Yb) sa používajú ako médium zosilnenia lasera s emisnou vlnovou dĺžkou 1,06 um. YAG laser môže vydávať vyššie impulzy, ale priemerný výkon je nízky a špičkový výkon môže dosiahnuť 15-násobok priemerného výkonu. Ak ide hlavne o pulzný laser, nedá sa dosiahnuť kontinuálny výkon; Môže sa však prenášať cez optické vlákna a zároveň sa zvyšuje miera absorpcie kovových materiálov a začína sa používať v materiáloch s vysokou odrazivosťou, prvýkrát aplikovaných v oblasti 3C;

Vláknový laser: Súčasný hlavný prúd na trhu používa vlákno dopované ytterbiom ako médium zisku s vlnovou dĺžkou 1060nm. Ďalej sa delí na vláknové a kotúčové lasery podľa tvaru média; Optické vlákno predstavuje IPG, zatiaľ čo disk predstavuje Tongkuai.

Polovodičový laser: Médium zisku je polovodičový PN prechod a vlnová dĺžka polovodičového lasera je hlavne 976 nm. V súčasnosti sa polovodičové blízke infračervené lasery používajú hlavne na obklady so svetelnými bodmi nad 600 um. Laserline je reprezentatívny podnik polovodičových laserov.

Klasifikované podľa formy pôsobenia energie: Pulzný laser (PULSE), kvázi kontinuálny laser (QCW), kontinuálny laser (CW)

Pulzný laser: nanosekundový, pikosekundový, femtosekundový, tento vysokofrekvenčný pulzný laser (ns, šírka pulzu) môže často dosiahnuť vysokú špičkovú energiu, vysokofrekvenčné (MHZ) spracovanie, používané na spracovanie tenkých medených a hliníkových odlišných materiálov, ako aj čistenie väčšinou . Použitím vysokej špičkovej energie dokáže rýchlo roztaviť základný materiál s krátkym časom pôsobenia a malou tepelne ovplyvnenou zónou. Má výhody pri spracovaní ultratenkých materiálov (pod 0,5 mm);

Kvázi kontinuálny laser (QCW): Vďaka vysokej frekvencii opakovania a nízkemu pracovnému cyklu (pod 50 %) sa šírka impulzuQCW laserdosahuje 50 us-50 ms, čím vypĺňa medzeru medzi kontinuálnym vláknovým laserom na úrovni kilowattov a pulzným laserom s prepínaním Q; Špičkový výkon kvázi kontinuálneho vláknového lasera môže dosiahnuť 10-násobok priemerného výkonu v nepretržitom režime. QCW lasery majú vo všeobecnosti dva režimy, jeden je kontinuálne zváranie pri nízkom výkone a druhý je pulzné laserové zváranie so špičkovým výkonom 10-násobkom priemerného výkonu, čím je možné dosiahnuť hrubšie materiály a viac tepelného zvárania a zároveň regulovať teplo v rámci veľmi malý rozsah;

Kontinuálny laser (CW): Toto je najbežnejšie používaný a väčšina laserov na trhu sú CW lasery, ktoré nepretržite produkujú laser na spracovanie zváraním. Vláknové lasery sa delia na jednomódové a multimódové lasery podľa rôznych priemerov jadra a kvality lúča a možno ich prispôsobiť rôznym aplikačným scenárom.