Принцип генерисања ласера

Зашто морамо да знамо принцип рада ласера?

Познавање разлика између уобичајених полупроводничких ласера, влакана, дискова иИАГ ласертакође може помоћи у бољем разумевању и укључивању у више дискусија током процеса селекције.

Чланак се углавном фокусира на популарну науку: кратак увод у принцип генерисања ласера, главну структуру ласера ​​и неколико уобичајених типова ласера.

Прво, принцип генерисања ласера

Ласер се генерише кроз интеракцију између светлости и материје, познату као појачање стимулисаног зрачења; Разумевање појачања стимулисаног зрачења захтева разумевање Ајнштајнових концепата спонтане емисије, стимулисане апсорпције и стимулисаног зрачења, као и неких неопходних теоретских основа.

Теоријска основа 1: Боров модел

Боров модел углавном обезбеђује унутрашњу структуру атома, што олакшава разумевање како настају ласери. Атом се састоји од језгра и електрона ван језгра, а орбитале електрона нису произвољне. Електрони имају само одређене орбитале, међу којима се најдубља орбитала назива основно стање; Ако је електрон у основном стању, његова енергија је најнижа. Ако електрон искочи из орбите, назива се прво побуђено стање, а енергија првог побуђеног стања биће већа од енергије основног стања; Друга орбита се назива друго побуђено стање;

Разлог зашто се ласер може појавити је тај што ће се електрони кретати у различитим орбитама у овом моделу. Ако електрони апсорбују енергију, могу да пређу из основног стања у побуђено стање; Ако се електрон врати из побуђеног у основно стање, он ће ослободити енергију, која се често ослобађа у облику ласера.

Теоријска основа 2: Ајнштајнова теорија стимулисаног зрачења

Године 1917. Ајнштајн је предложио теорију стимулисаног зрачења, која је теоријска основа за ласере и производњу ласера: апсорпција или емисија материје је у суштини резултат интеракције између поља зрачења и честица које чине материју и њеног језгра. суштина је прелаз честица између различитих енергетских нивоа. Постоје три различита процеса у интеракцији између светлости и материје: спонтана емисија, стимулисана емисија и стимулисана апсорпција. За систем који садржи велики број честица, ова три процеса увек коегзистирају и уско су повезана.

Спонтана емисија:

Као што је приказано на слици: електрон на високоенергетском нивоу Е2 спонтано прелази на нискоенергетски ниво Е1 и емитује фотон са енергијом хв, а хв=Е2-Е1; Овај спонтани и неповезани прелазни процес назива се спонтана транзиција, а светлосни таласи које емитују спонтани прелази називају се спонтано зрачење.

Карактеристике спонтане емисије: Сваки фотон је независан, са различитим правцима и фазама, а време настанка је такође насумично. Припада некохерентној и хаотичној светлости, која није светлост коју захтева ласер. Због тога, процес генерисања ласера ​​треба да смањи ову врсту залуталог светла. Ово је такође један од разлога зашто таласна дужина различитих ласера ​​има залуталу светлост. Ако се добро контролише, удео спонтане емисије у ласеру може се занемарити. Што је ласер чистији, као што је 1060 нм, то је све 1060 нм. Овај тип ласера ​​има релативно стабилну стопу апсорпције и снагу.

Стимулисана апсорпција:

Електрони на ниским енергетским нивоима (ниске орбитале), након апсорпције фотона, прелазе на више енергетске нивое (високе орбитале), а овај процес се назива стимулисана апсорпција. Стимулисана апсорпција је кључна и један од кључних процеса пумпања. Извор пумпе ласера ​​обезбеђује енергију фотона да изазове прелазак честица у медијуму за појачавање и чекање на стимулисано зрачење на вишим нивоима енергије, емитујући ласер.

Стимулисано зрачење:

Када је озрачен светлошћу спољашње енергије (хв=Е2-Е1), електрон на високом енергетском нивоу побуђује се спољним фотоном и скаче на нискоенергетски ниво (висока орбита иде на ниску орбиту). Истовремено, емитује фотон који је потпуно исти као и спољашњи фотон. Овај процес не апсорбује првобитну побудну светлост, тако да ће постојати два идентична фотона, што се може разумети као електрон избацује претходно апсорбовани фотон. Овај процес луминисценције се назива стимулисано зрачење, што је обрнути процес стимулисане апсорпције.

Након што је теорија јасна, врло је једноставно направити ласер, као што је приказано на горњој слици: у нормалним условима стабилности материјала, велика већина електрона је у основном стању, електрони у основном стању, а ласер зависи од стимулисано зрачење. Према томе, структура ласера ​​треба да омогући да се прво догоди стимулисана апсорпција, доводећи електроне до високог енергетског нивоа, а затим да обезбеди побуду да изазове велики број електрона високог енергетског нивоа да се подвргну стимулисаном зрачењу, ослобађајући фотоне. ласер се може генерисати. Затим ћемо представити ласерску структуру.

Ласерска структура:

Упарите структуру ласера ​​са условима за генерисање ласера ​​поменутим раније, један по један:

Услов настанка и одговарајућа структура:

1. Постоји медијум за појачавање који обезбеђује ефекат појачања као радни медијум ласера, а његове активиране честице имају структуру енергетског нивоа погодну за генерисање стимулисаног зрачења (углавном способне да пумпају електроне на орбитале високе енергије и постоје током одређеног временског периода , а затим отпуштају фотоне у једном даху кроз стимулисано зрачење);

2. Постоји екстерни извор побуде (извор пумпе) који може да пумпа електроне са доњег нивоа на горњи ниво, изазивајући инверзију броја честица између горњег и доњег нивоа ласера ​​(тј. када има више честица високе енергије од нискоенергетске честице), као што је ксенонска лампа у ИАГ ласерима;

3. Постоји резонантна шупљина која може постићи ласерску осцилацију, повећати радну дужину ласерског радног материјала, екранизирати режим светлосног таласа, контролисати правац ширења зрака, селективно појачати стимулисану фреквенцију зрачења како би се побољшала монохроматност (осигуравајући да ласер излази на одређеној енергији).

Одговарајућа структура је приказана на горњој слици, која је једноставна структура ИАГ ласера. Друге структуре могу бити сложеније, али језгро је ово. Процес генерисања ласера ​​је приказан на слици:

Класификација ласера: генерално се класификује по медијуму појачања или по облику ласерске енергије

Добити средњу класификацију:

Ласер на угљен-диоксиду: Медијум за појачање угљен-диоксидног ласера ​​је хелијум иЦО2 ласер,са таласном дужином ласера ​​од 10,6ум, што је један од најранијих ласерских производа који је лансиран. Рано ласерско заваривање се углавном заснивало на ласеру на угљен-диоксиду, који се тренутно углавном користи за заваривање и сечење неметалних материјала (тканина, пластика, дрво, итд.). Поред тога, користи се и на машинама за литографију. Ласер на угљен-диоксиду не може да се преноси кроз оптичка влакна и путује кроз просторне оптичке путеве. Најранији Тонгкуаи је урађен релативно добро, и коришћено је много опреме за сечење;

ИАГ (итријум алуминијум гранат) ласер: ИАГ кристали допирани неодимијум (Нд) или итријум (Иб) металним јонима се користе као медијум за појачавање ласера, са таласном дужином емисије од 1,06ум. ИАГ ласер може да емитује веће импулсе, али просечна снага је мала, а вршна снага може да достигне 15 пута већу од просечне снаге. Ако је то углавном пулсни ласер, континуирани излаз се не може постићи; Али може се преносити кроз оптичка влакна, а истовремено се повећава стопа апсорпције металних материјала и почиње да се примењује у материјалима високе рефлексије, прво примењеним у пољу 3Ц;

Фибер ласер: Тренутни маинстреам на тржишту користи влакна допирана итербијумом као медијум за појачање, са таласном дужином од 1060 нм. Даље се дели на оптичке и диск ласере на основу облика медијума; Оптичка влакна представља ИПГ, док диск представља Тонгкуаи.

Полупроводнички ласер: Појачани медијум је полупроводнички ПН спој, а таласна дужина полупроводничког ласера ​​је углавном на 976 нм. Тренутно се полупроводнички близу инфрацрвени ласери углавном користе за облагање, са светлосним тачкама изнад 600ум. Ласерлине је репрезентативно предузеће за производњу полупроводничких ласера.

Класификовани према облику енергетског дејства: пулсни ласер (ПУЛСЕ), квази континуирани ласер (КЦВ), континуирани ласер (ЦВ)

Пулсни ласер: наносекунда, пикосекунда, фемтосекунда, овај високофреквентни пулсни ласер (нс, ширина импулса) често може постићи високу вршну енергију, обраду високе фреквенције (МХЗ), користи се за обраду танких бакарних и алуминијумских различитих материјала, као и за чишћење углавном . Коришћењем високе вршне енергије, може брзо да растопи основни материјал, са малим временом деловања и малом зоном погођеном топлотом. Има предности у обради ултра танких материјала (испод 0,5 мм);

Квази континуални ласер (КЦВ): Због велике стопе понављања и ниског радног циклуса (испод 50%), ширина импулсаКЦВ ласердостиже 50 ус-50 мс, попуњавајући празнину између ласера ​​са континуалним влакнима на нивоу киловата и импулсног ласера ​​са К-свитцхед ласером; Максимална снага квази континуалног ласера ​​са влакнима може да достигне 10 пута просечну снагу у непрекидном режиму рада. КЦВ ласери генерално имају два режима, један је континуирано заваривање при малој снази, а други је пулсно ласерско заваривање са вршном снагом од 10 пута веће од просечне снаге, чиме се могу постићи дебљи материјали и више топлотног заваривања, док такође контролише топлоту унутар веома мали домет;

Континуални ласер (ЦВ): Ово је најчешће коришћени, а већина ласера ​​који се виде на тржишту су ЦВ ласери који континуирано производе ласер за обраду заваривања. Фибер ласери су подељени на једномодне и вишемодне ласере према различитим пречникима језгра и квалитету зрака, и могу се прилагодити различитим сценаријима примене.