Принцип на ласерско генерирање

Зошто треба да го знаеме принципот на ласерите?

Познавање на разликите помеѓу обичните полупроводнички ласери, влакна, дискови иYAG ласерможе исто така да помогне да се стекне подобро разбирање и да се вклучи во повеќе дискусии за време на процесот на селекција.

Статијата главно се фокусира на популарната наука: краток вовед во принципот на ласерско генерирање, главната структура на ласерите и неколку вообичаени типови на ласери.

Прво, принципот на ласерско генерирање

Ласерот се создава преку интеракцијата помеѓу светлината и материјата, позната како засилување на стимулирано зрачење; Разбирањето на засилувањето на стимулираното зрачење бара разбирање на концептите на Ајнштајн за спонтана емисија, стимулирана апсорпција и стимулирана радијација, како и некои неопходни теоретски основи.

Теоретска основа 1: Боров модел

Боровиот модел главно ја обезбедува внатрешната структура на атомите, со што е лесно да се разбере како се појавуваат ласерите. Атомот е составен од јадро и електрони надвор од јадрото, а орбиталите на електроните не се произволни. Електроните имаат само одредени орбитали, меѓу кои највнатрешната орбитала се нарекува основна состојба; Ако електронот е во основна состојба, неговата енергија е најниска. Ако електрон скокне од орбитата, тој се нарекува прва возбудена состојба, а енергијата на првата возбудена состојба ќе биде поголема од онаа на основната состојба; Друга орбита се нарекува втора возбудена состојба;

Причината зошто може да се појави ласер е затоа што електроните ќе се движат во различни орбити во овој модел. Ако електроните апсорбираат енергија, тие можат да се движат од основната состојба до возбудената состојба; Ако електронот се врати од возбудената состојба во основната состојба, тој ќе ослободи енергија, која често се ослободува во форма на ласер.

Теоретска основа 2: Теорија за стимулирана радијација на Ајнштајн

Во 1917 година, Ајнштајн ја предложил теоријата за стимулирано зрачење, која е теоретска основа за ласери и ласерско производство: апсорпцијата или емисијата на материјата во суштина е резултат на интеракцијата помеѓу полето на зрачење и честичките што ја сочинуваат материјата и неговото јадро. суштината е транзиција на честички помеѓу различни енергетски нивоа. Постојат три различни процеси во интеракцијата помеѓу светлината и материјата: спонтана емисија, стимулирана емисија и стимулирана апсорпција. За систем кој содржи голем број честички, овие три процеси секогаш коегзистираат и се тесно поврзани.

Спонтана емисија:

Како што е прикажано на сликата: електрон на високоенергетското ниво Е2 спонтано преминува на нискоенергетското ниво Е1 и емитира фотон со енергија од hv, и hv=E2-E1; Овој спонтан и неповрзан процес на транзиција се нарекува спонтана транзиција, а светлосните бранови емитирани од спонтани транзиции се нарекуваат спонтано зрачење.

Карактеристики на спонтана емисија: Секој фотон е независен, со различни насоки и фази, а времето на појава е исто така случајно. Припаѓа на некохерентна и хаотична светлина, која не е светлината што ја бара ласерот. Затоа, процесот на ласерско генерирање треба да го намали овој тип на залутано светло. Ова е исто така една од причините зошто брановата должина на различни ласери има залутана светлина. Ако добро се контролира, пропорцијата на спонтана емисија во ласерот може да се игнорира. Колку е почист ласерот, како на пример 1060 nm, сето тоа е 1060 nm. Овој тип на ласер има релативно стабилна стапка на апсорпција и моќност.

Стимулирана апсорпција:

Електроните на ниски енергетски нивоа (ниски орбитали), по апсорпцијата на фотоните, преминуваат на повисоки енергетски нивоа (високи орбитали), а овој процес се нарекува стимулирана апсорпција. Стимулираната апсорпција е од клучно значење и е еден од клучните процеси на пумпање. Изворот на пумпата на ласерот обезбедува фотонска енергија за да предизвика честички во медиумот за засилување да преминат и да чекаат стимулирано зрачење на повисоки нивоа на енергија, испуштајќи го ласерот.

Стимулирано зрачење:

Кога е зрачен од светлината на надворешната енергија (hv=E2-E1), електронот на високото енергетско ниво е возбуден од надворешниот фотон и скока до ниското енергетско ниво (високата орбита тече до ниската орбита). Во исто време, тој емитира фотон кој е потполно ист како надворешниот фотон. Овој процес не ја апсорбира првобитната возбудна светлина, така што ќе има два идентични фотони, што може да се разбере како електронот го плука претходно апсорбираниот фотон. Овој процес на луминисценција се нарекува стимулирано зрачење, што е обратен процес на стимулирана апсорпција.

Откако теоријата ќе стане јасна, многу е едноставно да се изгради ласер, како што е прикажано на горната слика: во нормални услови на материјална стабилност, огромното мнозинство електрони се во основна состојба, електроните во основна состојба, а ласерот зависи од стимулирано зрачење. Затоа, структурата на ласерот е да овозможи прво да се случи стимулирана апсорпција, доведувајќи ги електроните до високо енергетско ниво, а потоа обезбедува побудување за да предизвика голем број електрони со високо енергетско ниво да подлежат на стимулирано зрачење, ослободувајќи фотони, од ова, може да се генерира ласер. Следно, ќе ја претставиме ласерската структура.

Ласерска структура:

Поврзете ја структурата на ласерот со условите за ласерско генерирање споменати претходно еден по еден:

Состојба на појава и соодветна структура:

1. Постои медиум за засилување кој обезбедува ефект на засилување како ласерски работен медиум, а неговите активирани честички имаат структура на ниво на енергија погодна за генерирање на стимулирана радијација (главно способна да пумпа електрони во високо-енергетски орбитали и постојат одреден временски период , а потоа ослободуваат фотони во еден здив преку стимулирано зрачење);

2. Постои надворешен извор на побудување (извор на пумпа) кој може да пумпа електрони од пониското ниво на горното ниво, предизвикувајќи инверзија на бројот на честички помеѓу горните и долните нивоа на ласерот (т.е., кога има повеќе честички со висока енергија од честички со ниска енергија), како што е ксенонската ламба во YAG ласерите;

3. Постои резонантна празнина што може да постигне ласерска осцилација, да ја зголеми работната должина на ласерскиот работен материјал, да го екранизира режимот на светлосни бранови, да ја контролира насоката на ширење на зракот, селективно да ја засили стимулираната фреквенција на зрачење за да ја подобри монохроматичноста (обезбедување дека ласерот се емитува со одредена енергија).

Соодветната структура е прикажана на горната слика, која е едноставна структура на YAG ласер. Другите структури можеби се посложени, но суштината е ова. Процесот на ласерско генерирање е прикажан на сликата:

Ласерска класификација: генерално класифицирана по медиум за засилување или по форма на ласерска енергија

Добијте средна класификација:

Ласер за јаглерод диоксид: Средството за засилување на ласерот со јаглерод диоксид е хелиум иCO2 ласер,со ласерска бранова должина од 10,6um, што е еден од најраните ласерски производи што биле лансирани. Раното ласерско заварување главно се засноваше на ласер со јаглерод диоксид, кој во моментов главно се користи за заварување и сечење неметални материјали (ткаенини, пластика, дрво, итн.). Покрај тоа, се користи и на машини за литографија. Ласерот со јаглерод диоксид не може да се пренесе преку оптички влакна и патува низ просторни оптички патеки, најраниот Tongkuai беше релативно добро направен и беше користена многу опрема за сечење;

YAG (итриум алуминиумски гранат) ласер: YAG кристали допирани со неодимиум (Nd) или итриум (Yb) метални јони се користат како медиум за ласерско засилување, со бранова должина на емисија од 1,06um. Ласерот YAG може да емитува повисоки импулси, но просечната моќност е мала, а максималната моќност може да достигне 15 пати поголема од просечната моќност. Ако е главно импулсен ласер, не може да се постигне континуиран излез; Но, може да се пренесе преку оптички влакна, а во исто време, стапката на апсорпција на металните материјали се зголемува и почнува да се применува кај материјали со висока рефлексивност, прво применети во полето 3C;

Ласер со влакна: Тековниот мејнстрим на пазарот користи допирани влакна со итербиум како медиум за засилување, со бранова должина од 1060 nm. Понатаму е поделен на ласери со влакна и диск врз основа на обликот на медиумот; Оптичките влакна претставуваат IPG, додека дискот го претставуваат Tongkuai.

Полупроводнички ласер: Медиумот за засилување е полупроводнички PN спој, а брановата должина на полупроводничкиот ласер е главно на 976 nm. Во моментов, полупроводнички блиски инфрацрвени ласери главно се користат за обложување, со светлосни точки над 600um. Laserline е репрезентативно претпријатие за полупроводнички ласери.

Класифицирано според формата на енергетско дејство: пулсен ласер (PULSE), квази континуиран ласер (QCW), континуиран ласер (CW)

Пулсен ласер: наносекунда, пикосекунда, фемтосекунда, овој високофреквентен импулсен ласер (ns, ширина на пулсот) често може да постигне висока врвна енергија, обработка со висока фреквенција (MHZ), што се користи за обработка на тенок бакар и алуминиум, различни материјали, како и за претежно чистење . Со користење на висока врвна енергија, може брзо да го стопи основниот материјал, со мало време на дејство и мала зона погодена од топлина. Има предности во обработката на ултра тенки материјали (под 0,5 мм);

Квази континуиран ласер (QCW): Поради високата стапка на повторување и нискиот циклус на работа (под 50%), ширината на пулсот наQCW ласердостигнува 50 us-50 ms, пополнувајќи ја празнината помеѓу ласерот со континуирано влакно на ниво на киловат и пулсниот ласер со префрлување Q; Врвната моќност на квази континуираниот ласер со влакна може да достигне 10 пати поголема од просечната моќност при работа со континуиран режим. QCW ласерите обично имаат два режима, едниот е континуирано заварување со мала моќност, а другиот е импулсно ласерско заварување со максимална моќност од 10 пати поголема од просечната моќност, со што може да се постигнат подебели материјали и повеќе топлинско заварување, а исто така да се контролира топлината во многу мал опсег;

Континуиран ласер (CW): Ова е најчесто користен, а повеќето од ласерите што се гледаат на пазарот се CW ласери кои континуирано излегуваат ласер за обработка на заварување. Ласерите со влакна се поделени на ласери со еден режим и повеќе режими според различни дијаметри на јадрото и квалитети на зракот и можат да се прилагодат на различни сценарија на примена.