Lasergeneroinnin periaate

Miksi meidän on tiedettävä laserien toimintaperiaate?

Tunnetaan erot yleisten puolijohdelaserien, kuitujen, levyjen jaYAG laservoi myös auttaa saamaan paremman ymmärryksen ja osallistumaan enemmän keskusteluihin valintaprosessin aikana.

Artikkeli keskittyy pääasiassa populaaritieteeseen: lyhyt johdatus lasergeneroinnin periaatteeseen, laserien päärakenteeseen ja useisiin yleisiin lasertyyppeihin.

Ensinnäkin lasergeneroinnin periaate

Laseri syntyy valon ja aineen välisen vuorovaikutuksen kautta, joka tunnetaan stimuloidun säteilyn vahvistuksena; Stimuloidun säteilyn vahvistumisen ymmärtäminen edellyttää Einsteinin käsitteiden ymmärtämistä spontaanista emissiosta, stimuloidusta absorptiosta ja stimuloidusta säteilystä sekä joitakin tarpeellisia teoreettisia perusteita.

Teoreettinen perusta 1: Bohrin malli

Bohrin malli tarjoaa pääasiassa atomien sisäisen rakenteen, joten on helppo ymmärtää, miten laserit syntyvät. Atomi koostuu ytimestä ja ytimen ulkopuolella olevista elektroneista, eivätkä elektronien kiertoradat ole mielivaltaisia. Elektroneilla on vain tietyt kiertoradat, joista sisintä kiertorataa kutsutaan perustilaksi; Jos elektroni on perustilassa, sen energia on pienin. Jos elektroni hyppää ulos kiertoradalta, sitä kutsutaan ensimmäiseksi viritetyksi tilaksi, ja ensimmäisen virittyneen tilan energia on suurempi kuin perustilan energia; Toista kiertorataa kutsutaan toiseksi viritystilaksi;

Syy siihen, miksi laseria voi esiintyä, on se, että elektronit liikkuvat tässä mallissa eri kiertoradoilla. Jos elektronit absorboivat energiaa, ne voivat kulkea perustilasta virittyneeseen tilaan; Jos elektroni palaa viritetystä tilasta perustilaan, se vapauttaa energiaa, joka vapautuu usein laserin muodossa.

Teoreettinen perusta 2: Einsteinin stimuloidun säteilyn teoria

Vuonna 1917 Einstein ehdotti stimuloidun säteilyn teoriaa, joka on laserien ja lasertuotannon teoreettinen perusta: aineen absorptio tai emissio on olennaisesti seurausta säteilykentän ja aineen muodostavien hiukkasten ja sen ytimen välisestä vuorovaikutuksesta. olemus on hiukkasten siirtyminen eri energiatasojen välillä. Valon ja aineen vuorovaikutuksessa on kolme erilaista prosessia: spontaani emissio, stimuloitu emissio ja stimuloitu absorptio. Järjestelmässä, joka sisältää suuren määrän hiukkasia, nämä kolme prosessia esiintyvät aina rinnakkain ja liittyvät läheisesti toisiinsa.

Spontaani emissio:

Kuten kuvasta näkyy: elektroni korkean energian tasolla E2 siirtyy spontaanisti matalaenergiselle tasolle E1 ja emittoi fotonin, jonka energia on hv ja hv=E2-E1; Tätä spontaania ja riippumatonta siirtymäprosessia kutsutaan spontaaniksi siirtymäksi ja spontaanin siirtymän lähettämiä valoaaltoja kutsutaan spontaaniksi säteilyksi.

Spontaanin emission ominaisuudet: Jokainen fotoni on itsenäinen, eri suuntiin ja vaiheisiin, ja esiintymisaika on myös satunnainen. Se kuuluu epäkoherenttiin ja kaoottiseen valoon, joka ei ole laserin vaatima valo. Siksi lasergenerointiprosessin on vähennettävä tämän tyyppistä hajavaloa. Tämä on myös yksi syy siihen, miksi eri lasereiden aallonpituuksilla on hajavaloa. Jos kontrolloidaan hyvin, laserin spontaanin emission osuus voidaan jättää huomiotta. Mitä puhtaampi laser, kuten 1060 nm, se on kaikki 1060 nm. Tämäntyyppisellä laserilla on suhteellisen vakaa absorptionopeus ja -teho.

Stimuloitu imeytyminen:

Elektronit alhaisella energiatasolla (matalat kiertoradat) fotonien absorboitumisen jälkeen siirtyvät korkeammalle energiatasolle (korkeat kiertoradat), ja tätä prosessia kutsutaan stimuloiduksi absorptioksi. Stimuloitu imeytyminen on ratkaisevan tärkeää ja yksi tärkeimmistä pumppausprosesseista. Laserin pumppulähde tuottaa fotonienergiaa saadakseen vahvistusväliaineessa olevat hiukkaset siirtymään ja odottamaan stimuloitua säteilyä korkeammalla energiatasolla, joka lähettää laserin.

Stimuloitu säteily:

Säteilytettynä ulkoisen energian valolla (hv=E2-E1), korkean energiatason elektroni virittyy ulkoisen fotonin vaikutuksesta ja hyppää matalaenergiatasolle (korkea kiertorata kulkee matalalle kiertoradalle). Samalla se lähettää fotonin, joka on täsmälleen sama kuin ulkoinen fotoni. Tämä prosessi ei absorboi alkuperäistä viritysvaloa, joten tulee kaksi identtistä fotonia, mikä voidaan ymmärtää elektronin sylkevän aiemmin absorboituneen fotonin. Tätä luminesenssiprosessia kutsutaan stimuloiduksi säteilyksi, joka on stimuloidun absorption käänteinen prosessi.

Kun teoria on selvä, laserin rakentaminen on hyvin yksinkertaista, kuten yllä olevasta kuvasta näkyy: normaaleissa materiaalin stabiiliuden olosuhteissa valtaosa elektroneista on perustilassa, elektronit perustilassa ja laser riippuu stimuloitua säteilyä. Siksi laserin rakenteen on tarkoitus sallia ensin stimuloitu absorptio, jolloin elektronit saadaan korkealle energiatasolle ja sitten saadaan aikaan viritys, joka saa suuren määrän korkean energiatason elektroneja alttiiksi stimuloidulle säteilylle, joka vapauttaa fotoneja. laseria voidaan tuottaa. Seuraavaksi esittelemme laserrakenteen.

Laserrakenne:

Yhdistä laserrakenne aiemmin mainittuihin laserin generointiolosuhteisiin yksitellen:

Esiintymisehto ja vastaava rakenne:

1. Lasertyöväliaineena on vahvistusväliaine, jonka aktivoiduilla hiukkasilla on energiatason rakenne, joka soveltuu stimuloidun säteilyn tuottamiseen (pääasiassa pystyy pumppaamaan elektroneja korkean energian kiertoradalle ja olemaan olemassa tietyn ajan ja vapauttaa sitten fotoneja yhdellä hengityksellä stimuloidun säteilyn kautta);

2. On olemassa ulkoinen virityslähde (pumppulähde), joka voi pumpata elektroneja alemmalta tasolta ylemmälle tasolle aiheuttaen hiukkasluvun inversion laserin ylemmän ja alemman tason välillä (eli kun korkeaenergisiä hiukkasia on enemmän kuin matalaenergiahiukkaset), kuten YAG-laserien ksenonlamppu;

3. Siellä on resonanssiontelo, joka voi saavuttaa laservärähtelyn, lisätä lasertyömateriaalin työpituutta, seuloa valoaaltotilaa, ohjata säteen etenemissuuntaa, vahvistaa valikoivasti stimuloitua säteilytaajuutta monokromaattisuuden parantamiseksi (varmistamalla, että laser tuotetaan tietyllä energialla).

Vastaava rakenne on esitetty yllä olevassa kuvassa, joka on yksinkertainen rakenne YAG laserista. Muut rakenteet voivat olla monimutkaisempia, mutta ydin on tämä. Laserin generointiprosessi on esitetty kuvassa:

Laserluokitus: luokitellaan yleensä vahvistusväliaineen tai laserenergian muodon mukaan

Hanki keskitason luokitus:

Hiilidioksidi laser: Hiilidioksidilaserin vahvistusväliaine on helium jaCO2 laser,laserin aallonpituudella 10,6 um, mikä on yksi varhaisimmista lanseeratuista lasertuotteista. Varhainen laserhitsaus perustui pääasiassa hiilidioksidilaseriin, jota käytetään tällä hetkellä pääasiassa ei-metallisten materiaalien (kankaiden, muovien, puun jne.) hitsaukseen ja leikkaamiseen. Lisäksi sitä käytetään myös litografiakoneissa. Hiilidioksidilaseria ei voida siirtää optisten kuitujen läpi ja se kulkee spatiaalisia optisia polkuja pitkin. Varhaisin Tongkuai tehtiin suhteellisen hyvin, ja siinä käytettiin paljon leikkauslaitteita;

YAG (yttrium-alumiinigranaatti) -laser: YAG-kiteitä, jotka on seostettu neodyymi- (Nd) tai yttrium- (Yb) metalli-ioneilla, käytetään laserin vahvistusväliaineena emissioaallonpituudella 1,06 um. YAG-laser voi tuottaa suurempia pulsseja, mutta keskimääräinen teho on pieni ja huipputeho voi olla 15 kertaa keskimääräinen teho. Jos kyseessä on pääasiassa pulssilaser, jatkuvaa tehoa ei voida saavuttaa; Mutta se voidaan välittää optisten kuitujen kautta, ja samaan aikaan metallimateriaalien absorptionopeus kasvaa, ja sitä aletaan soveltaa korkean heijastavuuden materiaaleihin, joita käytetään ensin 3C-kentässä;

Kuitulaser: Nykyinen markkinoiden valtavirta käyttää vahvistusväliaineena ytterbium-seostettua kuitua, jonka aallonpituus on 1060 nm. Se jaetaan edelleen kuitu- ja levylasereihin väliaineen muodon perusteella; Kuituoptiikka edustaa IPG:tä, kun taas levy edustaa Tongkuaita.

Puolijohdelaser: Vahvistusväliaine on puolijohde-PN-liitos, ja puolijohdelaserin aallonpituus on pääasiassa 976 nm. Tällä hetkellä puolijohde-lähi-infrapunalasereita käytetään pääasiassa päällystykseen, valopisteiden ollessa yli 600um. Laserline on puolijohdelasereita edustava yritys.

Luokiteltu energian vaikutuksen muodon mukaan: Pulssilaser (PULSE), lähes jatkuva laser (QCW), jatkuva laser (CW)

Pulssilaser: nanosekunti, pikosekunti, femtosekunti, tämä korkeataajuinen pulssilaser (ns, pulssin leveys) voi usein saavuttaa korkean huippuenergian, korkeataajuisen (MHZ) käsittelyn, käytetään ohuiden kupari- ja alumiinimateriaalien käsittelyyn sekä enimmäkseen puhdistukseen . Käyttämällä korkeaa huippuenergiaa se voi nopeasti sulattaa perusmateriaalin lyhyellä toiminta-ajalla ja pienellä lämpövaikutusalueella. Sillä on etuja erittäin ohuiden materiaalien käsittelyssä (alle 0,5 mm);

Kvasijatkuva laser (QCW): Suuren toistonopeuden ja alhaisen käyttöjakson (alle 50 %) ansiosta pulssin leveysQCW lasersaavuttaa 50 us-50 ms, täyttäen kilowattitason jatkuvan kuitulaserin ja Q-kytketyn pulssilaserin välisen aukon; Lähes jatkuvan kuitulaserin huipputeho voi olla 10 kertaa keskimääräinen teho jatkuvassa tilassa. QCW-lasereilla on yleensä kaksi tilaa, joista toinen on jatkuva hitsaus pienellä teholla, ja toinen on pulssilaserhitsaus huipputeholla 10 kertaa keskimääräiseen tehoon verrattuna, jolloin voidaan saavuttaa paksumpia materiaaleja ja enemmän lämpöhitsausta, samalla kun se säätelee lämpöä erittäin pieni alue;

Jatkuva laser (CW): Tämä on yleisimmin käytetty, ja suurin osa markkinoilla olevista lasereista on CW-lasereita, jotka tuottavat jatkuvasti laseria hitsauskäsittelyä varten. Kuitulaserit jaetaan yksimuoto- ja monimuotolasereihin eri ytimen halkaisijoiden ja säteen ominaisuuksien mukaan, ja niitä voidaan mukauttaa erilaisiin käyttöskenaarioihin.