Princíp generovania laseru

Prečo potrebujeme poznať princíp laserov?

Poznanie rozdielov medzi bežnými polovodičovými lasermi, vláknami, diskami aYAG lasermôže tiež pomôcť lepšie porozumieť a zapojiť sa do viacerých diskusií počas výberového procesu.

Článok sa zameriava najmä na populárno-vedné témy: stručný úvod do princípu generovania laserového žiarenia, hlavnej štruktúry laserov a niekoľkých bežných typov laserov.

Po prvé, princíp generovania laseru

Laser vzniká interakciou medzi svetlom a hmotou, známou ako zosilnenie stimulovaného žiarenia; Pochopenie zosilnenia stimulovaného žiarenia si vyžaduje pochopenie Einsteinových konceptov spontánnej emisie, stimulovanej absorpcie a stimulovaného žiarenia, ako aj niektorých potrebných teoretických základov.

Teoretický základ 1: Bohrov model

Bohrov model poskytuje hlavne vnútornú štruktúru atómov, čo uľahčuje pochopenie toho, ako vznikajú lasery. Atóm sa skladá z jadra a elektrónov mimo jadra a orbitaly elektrónov nie sú ľubovoľné. Elektróny majú iba určité orbitaly, medzi ktorými sa najvnútornejší orbital nazýva základný stav; ak je elektrón v základnom stave, jeho energia je najnižšia. Ak elektrón vyskočí z obežnej dráhy, nazýva sa prvý excitovaný stav a energia prvého excitovaného stavu bude vyššia ako energia základného stavu; ďalšia obežná dráha sa nazýva druhý excitovaný stav;

Dôvod, prečo môže dôjsť k laserovému žiareniu, je ten, že elektróny sa v tomto modeli pohybujú po rôznych obežných 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 laseru.

Teoretický základ 2: Einsteinova teória stimulovaného žiarenia

V roku 1917 Einstein navrhol teóriu stimulovaného žiarenia, ktorá je teoretickým základom pre lasery a ich výrobu: absorpcia alebo emisia hmoty je v podstate výsledkom interakcie medzi radiačným poľom a časticami, ktoré tvoria hmotu, a jej základnou 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. V systéme obsahujúcom veľký počet častíc tieto tri procesy vždy koexistujú a sú úzko prepojené.

Spontánna emisia:

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

Charakteristiky spontánnej emisie: Každý fotón je nezávislý, má rôzne smery a fázy a čas výskytu je tiež náhodný. Patrí k nekoherentnému a chaotickému svetlu, ktoré nie je svetlom potrebným pre laser. Preto je potrebné, aby proces generovania laseru redukoval tento typ rozptýleného svetla. To je tiež jeden z dôvodov, prečo vlnová dĺžka rôznych laserov obsahuje rozptýlené svetlo. Pri dobrej kontrole možno podiel spontánnej emisie v laseri zanedbať. Čím je laser čistejší, napríklad 1060 nm, tým je celá 1060 nm. Tento typ laseru má relatívne stabilnú mieru absorpcie a výkon.

Stimulovaná absorpcia:

Elektróny na nízkych energetických hladinách (nízke orbitaly) po absorpcii fotónov prechádzajú na vyššie energetické hladiny (vysoké orbitaly) a tento proces sa nazýva stimulovaná absorpcia. Stimulovaná absorpcia je kľúčová a je jedným z kľúčových čerpacích procesov. Čerpací zdroj laseru poskytuje fotónovú energiu, ktorá spôsobuje prechod častíc v zosilňovacom médiu a čaká na stimulované žiarenie na vyšších energetických hladinách, čím sa vyžaruje laser.

Stimulované žiarenie:

Keď je elektrón ožiarený svetlom s vonkajšou energiou (hv=E2-E1), je excitovaný vonkajším fotónom a preskočí na nízku energetickú hladinu (z vysokej obežnej dráhy smeruje na nízku obežnú dráhu). Zároveň vyžaruje fotón, ktorý je úplne rovnaký ako vonkajší fotón. Tento proces neabsorbuje pôvodné excitačné svetlo, takže vzniknú dva identické fotóny, čo možno chápať tak, že elektrón vypľuje predtým absorbovaný fotón. Tento luminiscenčný proces sa nazýva stimulované žiarenie, čo je opačný proces stimulovanej absorpcie.

Keď je teória jasná, je veľmi jednoduché zostrojiť laser, ako je znázornené na obrázku vyššie: za normálnych podmienok stability materiálu je prevažná väčšina elektrónov v základnom stave a laser je závislý od stimulovaného žiarenia. Preto je štruktúra laseru taká, aby najprv umožnila stimulovanú absorpciu, čím sa elektróny dostanú na vysokú energetickú hladinu, a potom sa zabezpečí excitácia, ktorá spôsobí, že veľké množstvo elektrónov s vysokou energetickou hladinou podstúpi stimulované žiarenie a uvoľní fotóny. Z toho je možné generovať laser. Ďalej si predstavíme štruktúru laseru.

Štruktúra laseru:

Postupne priraďte štruktúru laseru k podmienkam generovania laseru uvedeným vyššie:

Podmienka výskytu a zodpovedajúca štruktúra:

1. Ako pracovné médium laseru existuje zosilňovacie médium, ktoré poskytuje zosilňovací efekt a jeho aktivované častice majú štruktúru energetických hladín vhodnú na generovanie stimulovaného žiarenia (hlavne schopné pumpovať elektróny na vysokoenergetické orbitály a existovať tam určitý čas a potom uvoľňovať fotóny jedným dychom prostredníctvom stimulovaného žiarenia);

2. Existuje externý excitačný zdroj (čerpací zdroj), ktorý môže pumpovať elektróny z nižšej úrovne na vyššiu úroveň, čo spôsobuje inverziu počtu častíc medzi hornou a dolnou úrovňou laseru (t. j. keď je viac vysokoenergetických častíc ako nízkoenergetických častíc), ako napríklad xenónová lampa v YAG laseroch;

3. Existuje rezonančná dutina, ktorá dokáže dosiahnuť laserové kmitanie, zväčšiť pracovnú dĺžku laserového pracovného materiálu, tieniť režim svetelnej vlny, riadiť smer šírenia lúča, selektívne zosilňovať stimulovanú frekvenciu žiarenia na zlepšenie monochromatičnosti (zabezpečenie toho, aby laser vyžaroval určitú energiu).

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

Klasifikácia laserov: všeobecne klasifikovaná podľa zosilňovacieho média alebo podľa formy laserovej energie

Klasifikácia stredného zisku:

Laser s oxidom uhličitýmZiskovým médiom laseru na báze oxidu uhličitého je hélium aCO2 laser,s laserovou vlnovou dĺžkou 10,6 μm, čo je jeden z prvých laserových produktov, ktoré boli uvedené na trh. Rané laserové zváranie bolo založené hlavne na lasere s oxidom uhličitým, ktorý sa v súčasnosti používa hlavne na zváranie a rezanie nekovových materiálov (tkaniny, plasty, drevo atď.). Okrem toho sa používa aj v litografických strojoch. Laser s oxidom uhličitým sa nedá prenášať cez optické vlákna a šíri sa priestorovými optickými cestami. Najstarší Tongkuai bol vyrobený relatívne dobre a používalo sa veľa rezacieho zariadenia;

YAG (ytriovo-hlinitý granátový) laser: Ako laserové zosilňovacie médium sa používajú kryštály YAG dopované kovovými iónmi neodýmu (Nd) alebo ytria (Yb) s emisnou vlnovou dĺžkou 1,06 μm. YAG laser dokáže produkovať vyššie impulzy, ale priemerný výkon je nízky a špičkový výkon môže dosiahnuť 15-násobok priemerného výkonu. Ak ide prevažne o pulzný laser, nie je možné dosiahnuť kontinuálny výstup; môže sa však prenášať cez optické vlákna a zároveň sa zvyšuje miera absorpcie kovových materiálov a začína sa používať vo vysoko odrazivých materiáloch, najprv v oblasti 3C;

Vláknový laser: Súčasný mainstream na trhu používa ako zosilňovacie médium vlákno dopované yterbiom s vlnovou dĺžkou 1060 nm. Ďalej sa delí na vláknové a diskové lasery na základe tvaru média; optické vlákno predstavuje IPG, zatiaľ čo disk predstavuje Tongkuai.

Polovodičový laser: Ziskovým médiom je polovodičový PN prechod a vlnová dĺžka polovodičového laseru je prevažne 976 nm. V súčasnosti sa polovodičové lasery v blízkej infračervenej oblasti používajú hlavne na oplášťovanie so svetelnými bodmi nad 600 μm. Laserline je reprezentatívny podnik zaoberajúci sa polovodičovými lasermi.

Klasifikácia podľa formy pôsobenia energie: Pulzný laser (PULSE), kvázikontinuálny laser (QCW), kontinuálny laser (CW)

Pulzný laser: nanosekundový, pikosekundový, femtosekundový, tento vysokofrekvenčný pulzný laser (ns, šírka impulzu) dokáže často dosiahnuť vysokú špičkovú energiu a vysokofrekvenčné (MHZ) spracovanie, používa sa na spracovanie tenkých rôznorodých materiálov medi a hliníka, ako aj na čistenie. 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 opakovacej frekvencii a nízkemu pracovnému cyklu (pod 50 %) je šírka impulzuQCW laserdosahuje 50 us-50 ms, čím vypĺňa medzeru medzi kontinuálnym vláknovým laserom na úrovni kilowattov a pulzným laserom s Q-spínaním; Špičkový výkon kvázi kontinuálneho vláknového laseru môže dosiahnuť 10-násobok priemerného výkonu v kontinuálnom režime prevádzky. QCW lasery majú vo všeobecnosti dva režimy, jeden je kontinuálne zváranie s nízkym výkonom a druhý je pulzné laserové zváranie so špičkovým výkonom 10-násobku priemerného výkonu, ktoré umožňuje dosiahnuť hrubšie materiály a viac tepla pri zváraní, pričom zároveň reguluje teplo vo veľmi malom rozsahu;

Kontinuálny laser (CW): Toto je najbežnejšie používaný typ a väčšina laserov na trhu sú CW lasery, ktoré kontinuálne vyžarujú laserový lúč na zváranie. Vláknové lasery sa delia na jednomódové a viacrežimové lasery podľa rôznych priemerov jadra a vlastností lúča a možno ich prispôsobiť rôznym aplikačným scenárom.