Принцип на генерирање на ласер

Зошто треба да го знаеме принципот на ласерите?

Познавање на разликите помеѓу вообичаените полупроводнички ласери, влакна, дискови иYAG ласеристо така може да помогне за подобро разбирање и вклучување во повеќе дискусии за време на процесот на селекција.

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

Прво, принципот на генерирање ласер

Ласерот се генерира преку интеракција помеѓу светлината и материјата, позната како засилување на стимулираното зрачење; Разбирањето на засилувањето на стимулираното зрачење бара разбирање на Ајнштајновите концепти за спонтана емисија, стимулирана апсорпција и стимулирано зрачење, како и некои потребни теоретски основи.

Теоретска основа 1: Боров модел

Боровиот модел главно ја дава внатрешната структура на атомите, олеснувајќи го разбирањето 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 електронот скокне од орбитата, тоа 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 тоа што електроните ќе се движат во различни орбити во овој модел. Ако електроните апсорбираат енергија, тие можат да се движат од основна состојба во возбудена состојба; ако електронот се врати од возбудена состојба во основна состојба, тој ќе ослободи енергија, која често се ослободува во форма на ласер.

Теоретска основа 2: Ајнштајнова теорија за стимулирано зрачење

Во 1917 година, Ајнштајн ја предложил теоријата за стимулирано зрачење, што е теоретска основа за ласерите и производството на ласери: апсорпцијата или емисијата на материјата е во суштина резултат на интеракцијата помеѓу полето на зрачење и честичките што ја сочинуваат материјата, а нејзината основна суштина е преминот на честичките помеѓу различни енергетски нивоа. Постојат три различни процеси во интеракцијата помеѓу светлината и материјата: спонтана емисија, стимулирана емисија и стимулирана апсорпција. За систем што содржи голем број честички, овие три процеси секогаш коегзистираат и се тесно поврзани.

Спонтана емисија:

Како што е прикажано на сликата: електрон на високо-енергетско ниво E2 спонтано преминува на ниско-енергетско ниво E1 и емитува фотон со енергија hv, и hv=E2-E1; Овој спонтан и неповрзан процес на транзиција се нарекува спонтана транзиција, а светлинските бранови емитирани од спонтани транзиции се нарекуваат спонтано зрачење.

Карактеристики на спонтаната емисија: Секој фотон е независен, со различни насоки и фази, а времето на појавување е исто така случајно. Припаѓа на некохерентна и хаотична светлина, што не е светлината потребна за ласерот. Затоа, процесот на генерирање на ласерот треба да го намали овој тип на залутана светлина. Ова е исто така една од причините зошто брановата должина на различните ласери има залутана светлина. Ако се контролира добро, процентот на спонтана емисија во ласерот може да се игнорира. Колку е почист ласерот, како на пример 1060 nm, толку 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 апсорбирањето на фотони, преминуваат на повисоки енергетски нивоа (високи орбитали), и овој процес се нарекува стимулирана апсорпција. Стимулираната апсорпција е клучна и еден од клучните процеси на пумпање. Изворот на пумпање на ласерот обезбедува енергија на фотони за да предизвика честичките во медиумот за засилување да транзитираат и да чекаат стимулирано зрачење на повисоки енергетски нивоа, емитувајќи го ласерот.

Стимулирано зрачење:

Кога е озрачен од светлината на надворешна енергија (hv=E2-E1), електронот на високо енергетско ниво е возбуден од надворешниот фотон и скока на ниското енергетско ниво (високата орбита се движи кон ниската орбита). Во исто време, тој емитира фотон кој е потполно ист како надворешниот фотон. Овој процес не ја апсорбира оригиналната светлина на возбудување, па ќе има два идентични фотони, што може да се разбере како електронот да го исфрла претходно апсорбираниот фотон. Овој процес на луминисценција се нарекува стимулирано зрачење, што е обратен процес на стимулирана апсорпција.

Откако теоријата ќе биде јасна, многу е едноставно да се изгради ласер, како што е прикажано на горната слика: под нормални услови на стабилност на материјалот, огромното мнозинство електрони се во основна состојба, електроните се 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 на високо енергетско ниво, а потоа да обезбеди возбуда за да предизвика голем број електрони на високо енергетско ниво да се подложат на стимулирано зрачење, ослободувајќи фотони. Од ова може да се генерира ласер. Потоа, ќе ја претставиме структурата на ласерот.

Структура на ласер:

Спојте ја структурата на ласерот со условите за генерирање на ласерот споменати претходно, една по една:

Услов на настанување и соодветна структура:

1. Постои медиум за засилување кој обезбедува ефект на засилување како ласерски работен медиум, а неговите активирани честички имаат структура на енергетско ниво погодна за генерирање на стимулирано зрачење (главно способни да пумпаат електрони во орбитали со висока енергија и да постојат одреден временски период, а потоа да ослободуваат фотони во еден здив преку стимулирано зрачење);

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

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

Соодветната структура е прикажана на горната слика, што е едноставна структура на YAG ласер. Другите структури може да бидат посложени, но јадрото е ова. Процесот на генерирање на ласер е прикажан на сликата:

Класификација на ласери: генерално класифицирана според медиумот за засилување или според формата на ласерската енергија

Класификација на медиум за добивка:

Ласер за јаглерод диоксидМедиумот за засилување на јаглерод диоксидниот ласер е хелиум иCO2 ласер,со бранова должина на ласерот од 10,6 μm, што е еден од најраните ласерски производи што биле лансирани. Раното ласерско заварување главно се базирало на јаглерод диоксиден ласер, кој во моментов главно се користи за заварување и сечење на неметални материјали (ткаенини, пластика, дрво итн.). Покрај тоа, се користи и на литографски машини. Јаглерод диоксидниот ласер не може да се пренесе преку оптички влакна и патува низ просторни оптички патеки. Најраниот Тонгкуаи бил направен релативно добро, а се користела и многу опрема за сечење;

YAG (итриум алуминиумски гранат) ласер: YAG кристали допирани со неодимиумски (Nd) или итриумски (Yb) метални јони се користат како медиум за ласерско засилување, со бранова должина на емисија од 1,06 μm. YAG ласерот може да произведува повисоки импулси, но просечната моќност е ниска, а врвната 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 пренесува преку оптички влакна, а во исто време, стапката на апсорпција на металните материјали се зголемува, и почнува да се применува во материјали со висока рефлективност, прво применети во 3C полето;

Фибер ласер: Моменталниот мејнстрим на пазарот користи влакна допирани со итербиум како медиум за засилување, со бранова должина од 1060 nm. Понатаму е поделен на фибер и диск ласери врз основа на обликот на медиумот; оптичките влакна го претставуваат IPG, додека дисковите го претставуваат Tongkuai.

Полупроводнички ласер: Медиумот за засилување е полупроводничка PN спојка, а брановата должина на полупроводничкиот ласер е главно на 976 nm. Во моментов, полупроводничките близок-инфрацрвени ласери главно се користат за обложување, со светлосни точки над 600 μm. Laserline е репрезентативно претпријатие за полупроводнички ласери.

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

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

Квази континуиран ласер (QCW): Поради високата стапка на повторување и нискиот работен циклус (под 50%), ширината на импулсот наQCW ласердостигнува 50 us-50 ms, пополнувајќи ја празнината помеѓу континуираниот ласер со киловатско ниво и пулсниот ласер со Q-прекинувач; Врвната моќност на квази-континуираниот ласер со влакна може да достигне 10 пати поголема од просечната моќност при континуиран режим на работа. QCW ласерите генерално имаат два режима, едниот е континуирано заварување при мала моќност, а другиот е пулсирано ласерско заварување со врвна моќност од 10 пати поголема од просечната моќност, што може да постигне подебели материјали и повеќе топлинско заварување, а воедно да ја контролира топлината во многу мал опсег;

Континуиран ласер (CW): Ова е најчесто користениот, а повеќето ласери што се гледаат на пазарот се CW ласери кои континуирано произведуваат ласер за обработка на заварување. Фибер ласерите се поделени на едномодни и повеќемодни ласери според различните дијаметри на јадрото и квалитетите на зракот, и можат да се прилагодат на различни сценарија на примена.