Lasergeneroinnin periaate

Miksi meidän on tiedettävä lasereiden periaate?

Yleisten puolijohdelasereiden, kuitujen, levyjen ja lasereiden erojen tunteminenYAG-laservoi myös auttaa ymmärtämään valintaprosessia paremmin ja osallistumaan useampiin keskusteluihin sen aikana.

Artikkeli keskittyy pääasiassa populaaritieteeseen: lyhyt johdatus laserin generoinnin periaatteeseen, lasereiden päärakenteeseen ja useisiin yleisiin lasertyyppeihin.

Ensinnäkin laserin generoinnin periaate

Laser syntyy valon ja aineen vuorovaikutuksessa, joka tunnetaan stimuloidun säteilyn vahvistumisena; Stimuloidun säteilyn vahvistumisen ymmärtäminen edellyttää Einsteinin käsitteiden spontaanista emissiosta, stimuloidusta absorptiosta ja stimuloidusta säteilystä sekä joidenkin tarvittavien teoreettisten perusteiden ymmärtämistä.

Teoreettinen perusta 1: Bohrin malli

Bohrin malli kuvaa pääasiassa atomien sisäistä rakennetta, mikä helpottaa lasereiden toiminnan ymmärtämistä. Atomi koostuu ytimestä ja ytimen ulkopuolisista elektroneista, eivätkä elektronien orbitaalit ole mielivaltaisia. Elektroneilla on vain tiettyjä orbitaaleja, joista sisintä orbitaalia kutsutaan perustilaksi. Jos elektroni on perustilassa, sen energia on pienin. Jos elektroni hyppää ulos radaltaan, sitä kutsutaan ensimmäiseksi viritystilaksi, ja ensimmäisen viritystilan energia on korkeampi kuin perustilan energia. Toista rataa kutsutaan toiseksi viritystilaksi.

Laser voi syntyä, koska elektronit liikkuvat tässä mallissa eri kiertoradoilla. Jos elektronit absorboivat energiaa, ne voivat siirtyä perustilasta virittyneeseen tilaan; jos elektroni palaa virittyneestä tilasta perustilaan, se vapauttaa energiaa, joka usein vapautuu laserin muodossa.

Teoreettinen perusta 2: Einsteinin stimuloidun säteilyn teoria

Vuonna 1917 Einstein esitti stimuloidun säteilyn teorian, joka on lasereiden ja lasereiden tuotannon teoreettinen perusta: aineen absorptio tai emissio on pohjimmiltaan säteilykentän ja ainetta muodostavien hiukkasten välisen vuorovaikutuksen tulos, ja sen ydin on hiukkasten siirtyminen eri energiatasojen välillä. Valon ja aineen vuorovaikutuksessa on kolme eri prosessia: spontaani emissio, stimuloitu emissio ja stimuloitu absorptio. Suuren määrän hiukkasia sisältävässä järjestelmässä nämä kolme prosessia esiintyvät aina rinnakkain ja ovat läheisesti yhteydessä toisiinsa.

Spontaani emissio:

Kuten kuvassa näkyy: korkeaenergiaisella tasolla E2 oleva elektroni siirtyy spontaanisti matalaenergiaiselle tasolle E1 ja emittoi fotonin, jonka energia on hv, ja hv = E2 - E1; Tätä spontaania ja toisiinsa liittymätöntä siirtymäprosessia kutsutaan spontaaniksi siirtymäksi, ja spontaanien siirtymien lähettämiä valoaaltoja kutsutaan spontaaniksi säteilyksi.

Spontaanin emission ominaisuudet: Jokainen fotoni on itsenäinen, sillä on eri suunnat ja vaiheet, ja esiintymisaika on myös satunnainen. Se kuuluu epäkoherenttiin ja kaoottiseen valoon, jota laser ei tarvitse. Siksi laserin generointiprosessin on vähennettävä tällaista hajavaloa. Tämä on myös yksi syy siihen, miksi eri lasereiden aallonpituudella on hajavaloa. Jos sitä hallitaan hyvin, spontaanin emission osuus laserissa voidaan jättää huomiotta. Mitä puhtaampi laser, kuten 1060 nm, sitä enemmän se on 1060 nm. Tämän tyyppisellä laserilla on suhteellisen vakaa absorptionopeus ja teho.

Stimuloitu imeytyminen:

Matalan energian elektronit (matalat orbitaalit) siirtyvät fotonien absorboinnin jälkeen korkeamman energian elektroneihin (korkeat orbitaalit), ja tätä prosessia kutsutaan stimuloiduksi absorptioksi. Stimuloitu absorptio on ratkaisevan tärkeä ja yksi keskeisistä pumppausprosesseista. Laserin pumppauslähde tuottaa fotonienergiaa, joka saa vahvistusväliaineen hiukkaset siirtymään ja odottamaan stimuloitua säteilyä korkeammalla energialla, emittoiden laserin.

Stimuloitu säteily:

Kun korkeaenergiaista elektronia säteilytetään ulkoisella valolla (hv=E2-E1), ulkoinen fotoni virittää sen ja hyppää matalaenergiaiselle elektronille (korkea kiertorata siirtyy matalalle kiertoradalle). Samanaikaisesti se emittoi fotonin, joka on täsmälleen sama kuin ulkoinen fotoni. Tämä prosessi ei absorboi alkuperäistä viritysvaloa, joten fotoneja on kaksi identtistä, mikä voidaan ymmärtää siten, että elektroni sylkee ulos 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 olevassa kuvassa on esitetty: normaaleissa materiaalin stabiiliusolosuhteissa suurin osa elektroneista on perustilassa, elektronit ovat perustilassa ja laser on riippuvainen stimuloidusta säteilystä. Siksi laserin rakenne on sellainen, että se mahdollistaa ensin stimuloidun absorption, joka nostaa elektronit korkealle energiatasolle, ja sitten se tuottaa virityksen, joka saa suuren määrän korkean energiatason elektroneja altistumaan stimuloidulle säteilylle, vapauttaen fotoneja. Tästä voidaan tuottaa laser. Seuraavaksi esittelemme laserin rakenteen.

Laserrakenne:

Yhdistä laserin rakenne aiemmin mainittuihin laserin generointiehtoihin yksi kerrallaan:

Esiintymisolosuhteet ja vastaava rakenne:

1. Laserissa on vahvistusväliaine, joka tarjoaa vahvistusvaikutuksen lasertyöskentelyväliaineena, ja sen aktivoituneiden hiukkasten energiatasorakenne soveltuu stimuloidun säteilyn tuottamiseen (pääasiassa ne pystyvät pumppaamaan elektroneja korkeaenergisille orbitaaleille ja olemaan olemassa tietyn ajan, ja sitten vapauttamaan fotoneja yhdellä hengityksellä stimuloidun säteilyn kautta);

2. Ulkoinen herätelähde (pumppauslähde) voi pumpata elektroneja alemmalta tasolta ylemmälle tasolle aiheuttaen hiukkasten lukumäärän inversion laserin ylemmän ja alemman tason välillä (eli kun korkeaenergisiä hiukkasia on enemmän kuin matalaenergisiä hiukkasia), kuten YAG-lasereiden ksenonlamppu;

3. On olemassa resonanssiontelo, joka voi saavuttaa laservärähtelyn, lisätä lasertyömateriaalin työpituutta, seuloa valoaaltomoodia, ohjata säteen etenemissuuntaa ja vahvistaa selektiivisesti stimuloidun säteilytaajuuden monokromaattisuuden parantamiseksi (varmistaen, että laser tuotetaan tietyllä energialla).

Vastaava rakenne on esitetty yllä olevassa kuvassa, joka on YAG-laserin yksinkertainen rakenne. Muut rakenteet voivat olla monimutkaisempia, mutta ydin on tämä. Lasergenerointiprosessi on esitetty kuvassa:

Laserluokitus: yleensä luokitellaan vahvistusväliaineen tai laserenergian muodon mukaan

Keskitason luokitus:

HiilidioksidilaserHiilidioksidilaserin vahvistusväliaine on helium jaCO2-laser,10,6 μm:n laseraallonpituudella, mikä on yksi varhaisimmista lanseeratuista lasertuotteista. Varhainen laserhitsaus perustui pääasiassa hiilidioksidilaseriin, jota nykyään käytetään pääasiassa ei-metallisten materiaalien (kankaat, muovit, puu jne.) hitsaukseen ja leikkaamiseen. Lisäksi sitä käytetään myös litografiakoneissa. Hiilidioksidilaseria ei voida siirtää optisten kuitujen kautta, ja se kulkee spatiaalisia optisia reittejä pitkin. Varhaisin Tongkuai tehtiin suhteellisen hyvin, ja käytettiin paljon leikkauslaitteita;

YAG-laser (yttrium-alumiinigranaatti): Laservahvistusväliaineena käytetään neodyymi- (Nd) tai yttrium- (Yb) metalli-ioneilla seostettuja YAG-kiteitä, joiden emissioaallonpituus on 1,06 μm. YAG-laser voi tuottaa suurempia pulsseja, mutta keskimääräinen teho on alhainen ja huipputeho voi olla jopa 15 kertaa keskimääräinen teho. Jos kyseessä on pääasiassa pulssilaser, jatkuvaa tehoa ei voida saavuttaa. Sitä voidaan kuitenkin siirtää optisten kuitujen kautta, ja samalla metallimateriaalien absorptionopeus kasvaa, ja sitä aletaan soveltaa korkean heijastavuuden materiaaleissa, ensin 3C-kentässä.

Kuitulaser: Nykyään markkinoilla käytetään ytterbiumilla seostettua kuitua vahvistusväliaineena, jonka aallonpituus on 1060 nm. Se jaetaan edelleen kuitu- ja kiekkolasereihin väliaineen muodon perusteella; kuituoptiikka edustaa IPG:tä ja kiekkolaseri Tongkuaita.

Puolijohdelaser: Vahvistusväliaine on puolijohteinen PN-liitos, ja puolijohdelaserin aallonpituus on pääasiassa 976 nm. Tällä hetkellä puolijohdelähi-infrapunalasereita käytetään pääasiassa verhoukseen, ja niiden valopisteiden halkaisija on yli 600 μm. Laserline on puolijohdelasereita valmistava yritys.

Luokiteltu energian vaikutusmuodon mukaan: pulssilaser (PULSE), lähes jatkuva laser (QCW), jatkuva laser (CW)

Pulssilaser: nanosekunti, pikosekunti, femtosekunti. Tämä korkeataajuinen pulssilaser (ns, pulssinleveys) voi usein saavuttaa suuren huippuenergian ja korkeataajuisen (MHZ) prosessoinnin, ja sitä käytetään ohuiden kuparin ja alumiinin erilaisten materiaalien prosessointiin sekä pääasiassa puhdistukseen. Käyttämällä suurta huippuenergiaa se voi sulattaa perusmateriaalin nopeasti, lyhyellä vaikutusajalla ja pienellä lämpövaikutusalueella. Sillä on etuja erittäin ohuiden materiaalien (alle 0,5 mm) prosessoinnissa.

Kvasijatkuva laser (QCW): Korkean toistotaajuuden ja alhaisen käyttösuhteen (alle 50 %) vuoksi pulssinleveysQCW-lasersaavuttaa 50 μs - 50 ms, täyttäen aukon kilowattitason jatkuvan kuitulaserin ja Q-kytkentäisen pulssilaserin välillä; Lähes jatkuvan kuitulaserin huipputeho voi olla 10 kertaa keskimääräistä tehoa suurempi jatkuvassa tilassa. QCW-lasereilla on yleensä kaksi tilaa: toinen on jatkuva hitsaus pienellä teholla ja toinen on pulssilaserhitsaus, jonka huipputeho on 10 kertaa keskimääräistä tehoa suurempi, mikä voi saavuttaa paksumpia materiaaleja ja enemmän lämpöhitsausta samalla, kun lämpöä voidaan hallita hyvin pienellä alueella;

Jatkuvatoiminen laser (CW): Tämä on yleisimmin käytetty menetelmä, ja useimmat markkinoilla olevista lasereista ovat jatkuvatoimisia lasereita, jotka tuottavat jatkuvasti lasersädettä hitsausprosessiin. Kuitulaserit jaetaan yksi- ja monitilalasereihin eri ytimen halkaisijoiden ja säteen ominaisuuksien mukaan, ja niitä voidaan mukauttaa erilaisiin sovellustilanteisiin.