Принцип генерације ласера

Зашто нам је потребно да знамо принцип рада ласера?

Познавање разлика између уобичајених полупроводничких ласера, влакана, дискова иYAG 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 генерације ласера

Ласер се генерише интеракцијом између светлости и материје, познатом као појачавање стимулисаног зрачења; Разумевање појачавања стимулисаног зрачења захтева разумевање Ајнштајнових концепата спонтане емисије, стимулисане апсорпције и стимулисаног зрачења, као и неких неопходних теоријских основа.

Теоријска основа 1: Боров модел

Боров модел углавном пружа 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 основним стањем; 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 се електрони крећу у различитим орбитама у овом моделу. Ако електрони апсорбују енергију, могу прећи из основног у побуђено стање; ако се електрон врати из побуђеног у основно стање, ослободиће 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, а њена основна суштина је прелазак 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 hv, и hv=E2-E1; Овај спонтани и неповезани процес прелаза назива се спонтани прелаз, 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 појаве је такође случајно. Припада некохерентној и хаотичној светлости, што није светлост потребна ласеру. Стога, процес генерисања ласера ​​мора да смањи ову врсту расејане светлости. То је такође један од разлога зашто таласне дужине различитих ласера ​​имају расејану светлост. Ако се добро контролише, удео спонтане емисије у ласеру може се занемарити. Што је ласер чистији, као што је 1060 nm, то је све 1060 nm. Ова врста ласера ​​има релативно стабилну брзину апсорпције и снагу.

Стимулисана апсорпција:

Електрони на ниским енергетским нивоима (ниске орбитале), након апсорбовања фотона, прелазе на више енергетске нивое (високе орбитале), а овај процес се назива стимулисана апсорпција. Стимулисана апсорпција је кључна и један је од кључних процеса пумпања. Извор пумпања ласера ​​обезбеђује енергију фотона како би честице у медијуму за појачање прешле у прелаз и чекале стимулисано зрачење на вишим енергетским нивоима, емитујући ласер.

Стимулисано зрачење:

Када је озрачен светлошћу спољашње енергије (hv=E2-E1), електрон на високом енергетском нивоу бива побуђен спољашњим фотоном и прелази на ниски енергетски ниво (висока орбита се креће ка нижој орбити). Истовремено, емитује фотон који је потпуно исти као и спољашњи фотон. Овај процес не апсорбује оригиналну побуђујућу светлост, тако да ће постојати два идентична фотона, што се може схватити као да електрон избацује претходно апсорбовани фотон. Овај процес луминесценције назива се стимулисано зрачење, што је обрнути процес стимулисане апсорпције.

Након што је теорија јасна, веома је једноставно направити ласер, као што је приказано на горњој слици: под нормалним условима стабилности материјала, велика већина електрона је у основном стању, а ласер зависи од стимулисаног зрачења. Стога је структура ласера ​​таква да прво омогући стимулисану апсорпцију, доводећи електроне на високи енергетски ниво, а затим обезбеђујући побуђивање које изазива стимулисано зрачење великог броја електрона високог енергетског нивоа, ослобађајући фотоне. Из овога се може генерисати ласер. Затим ћемо представити структуру ласера.

Структура ласера:

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

Услов настанка и одговарајућа структура:

1. Постоји медијум за појачавање који пружа ефекат појачавања као радни медијум ласера, а његове активиране честице имају структуру енергетског нивоа погодну за генерисање стимулисаног зрачења (углавном способне да пумпају електроне у високоенергетске орбитале и постоје одређени временски период, а затим ослобађају фотоне у једном даху кроз стимулисано зрачење);

2. Постоји спољашњи извор побуђивања (извор пумпе) који може да пумпа електроне са нижег нивоа на горњи ниво, узрокујући инверзију броја честица између горњег и доњег нивоа ласера ​​(тј. када има више честица високе енергије него честица ниске енергије), као што је ксенонска лампа у YAG ласерима;

3. Постоји резонантна шупљина која може постићи ласерску осцилацију, повећати радну дужину ласерског радног материјала, екранирати режим светлосног таласа, контролисати смер простирања снопа, селективно појачати стимулисану фреквенцију зрачења ради побољшања монохроматичности (осигуравајући да се ласер емитује на одређеној енергији).

Одговарајућа структура је приказана на горњој слици, која представља једноставну структуру YAG ласера. Друге структуре могу бити сложеније, али суштина је следећа. Процес генерисања ласера ​​је приказан на слици:

Класификација ласера: генерално класификована према медијуму појачања или према облику ласерске енергије

Класификација средњег добитка:

Ласер угљен-диоксидаПојачавајући медијум угљен-диоксидног ласера ​​је хелијум иCO2 ласер,са ласерском таласном дужином од 10,6 μm, што је један од најранијих ласерских производа који је лансиран. Рано ласерско заваривање се углавном заснивало на угљен-диоксидном ласеру, који се тренутно углавном користи за заваривање и сечење неметалних материјала (тканина, пластике, дрвета итд.). Поред тога, користи се и на литографским машинама. Угљен-диоксидни ласер се не може преносити кроз оптичка влакна и путује кроз просторне оптичке путање, најранији Тонгкуаи је урађен релативно добро и коришћено је много опреме за сечење;

YAG (итријум алуминијум гранат) ласер: YAG кристали допирани металним јонима неодимијума (Nd) или итријума (Yb) користе се као медијум за појачање ласера, са таласном дужином емисије од 1,06μm. YAG ласер може да емитује веће импулсе, али је просечна снага ниска, а вршна снага може достићи 15 пута већу од просечне снаге. Ако се углавном ради о импулсном ласеру, не може се постићи континуирани излаз; Али се може преносити кроз оптичка влакна, а истовремено се повећава брзина апсорпције металних материјала, и почиње да се примењује у материјалима са високом рефлективношћу, прво примењеним у 3C пољу;

Фибер ласер: Тренутни мејнстрим на тржишту користи итербијумом допирано влакно као медијум за појачање, са таласном дужином од 1060nm. Даље се дели на фибер и диск ласере на основу облика медијума; оптичко влакно представља IPG, док диск представља Tongkuai.

Полупроводнички ласер: Појачавајући медијум је полупроводнички PN спој, а таласна дужина полупроводничког ласера ​​је углавном на 976 nm. Тренутно се полупроводнички блиски инфрацрвени ласери углавном користе за облагање, са светлосним тачкама изнад 600 μm. Laserline је репрезентативно предузеће полупроводничких ласера.

Класификовано према облику деловања енергије: Пулсни ласер (PULSE), квазиконтинуирани ласер (QCW), континуирани ласер (CW)

Пулсни ласер: наносекундни, пикосекундни, фемтосекундни, овај високофреквентни импулсни ласер (нс, ширина импулса) често може постићи високу вршну енергију, високофреквентну (MHZ) обраду, користи се за обраду танких бакарних и алуминијумских разнородних материјала, као и углавном за чишћење. Коришћењем високе вршне енергије, може брзо отопити основни материјал, са кратким временом деловања и малом зоном утицаја топлоте. Има предности у обради ултратанких материјала (испод 0,5 мм);

Квази континуирани ласер (QCW): Због високе брзине понављања и ниског радног циклуса (испод 50%), ширина импулсаQCW ласердостиже 50 мкс-50 мс, попуњавајући празнину између континуираног влакнастог ласера ​​на нивоу киловата и Q-прекиданог импулсног ласера; Вршна снага квази континуираног влакнастог ласера ​​може достићи 10 пута већу од просечне снаге у континуираном режиму рада. QCW ласери генерално имају два режима рада, један је континуирано заваривање на малој снази, а други је импулсно ласерско заваривање са вршном снагом од 10 пута већом од просечне снаге, што може постићи дебље материјале и већу топлоту заваривања, а истовремено контролише топлоту у веома малом опсегу;

Континуирани ласер (CW): Ово је најчешће коришћени ласер, и већина ласера ​​који се виде на тржишту су CW ласери који континуирано емитују ласер за заваривање. Влакнасти ласери се деле на једномодне и вишемодне ласере према различитим пречницима језгра и квалитетима снопа, и могу се прилагодити различитим сценаријима примене.