Princip generisanja lasera

Zašto moramo znati princip rada lasera?

Poznavanje razlika između uobičajenih poluvodičkih lasera, vlakana, diskova iYAG lasertakođe može pomoći u boljem razumijevanju i uključivanju u više diskusija tokom procesa selekcije.

Članak se uglavnom fokusira na popularnu nauku: kratak uvod u princip generisanja lasera, glavnu strukturu lasera i nekoliko uobičajenih tipova lasera.

Prvo, princip generisanja lasera

Laser se stvara interakcijom između svjetlosti i materije, poznatom kao pojačanje stimuliranog zračenja; Razumijevanje pojačanja stimuliranog zračenja zahtijeva razumijevanje Ajnštajnovih koncepta spontane emisije, stimulisane apsorpcije i stimulisane radijacije, kao i nekih neophodnih teoretskih osnova.

Teorijska osnova 1: Bohrov model

Bohrov model uglavnom pruža unutrašnju strukturu atoma, što olakšava razumijevanje kako nastaju laseri. Atom se sastoji od jezgra i elektrona izvan jezgra, a orbitale elektrona nisu proizvoljne. Elektroni imaju samo određene orbitale, među kojima se najnutarnja orbitala naziva osnovno stanje; Ako je elektron u osnovnom stanju, njegova energija je najniža. Ako elektron iskoči iz orbite, naziva se prvo pobuđeno stanje, a energija prvog pobuđenog stanja bit će veća od energije osnovnog stanja; Druga orbita se naziva drugo pobuđeno stanje;

Razlog zašto se laser može pojaviti je taj što će se elektroni kretati u različitim orbitama u ovom modelu. Ako elektroni apsorbuju energiju, mogu da pređu iz osnovnog stanja u pobuđeno stanje; Ako se elektron vrati iz pobuđenog stanja u osnovno stanje, on će osloboditi energiju, koja se često oslobađa u obliku lasera.

Teorijska osnova 2: Einsteinova teorija stimuliranog zračenja

Godine 1917. Ajnštajn je predložio teoriju stimulisanog zračenja, koja je teorijska osnova za lasere i proizvodnju lasera: apsorpcija ili emisija materije je u suštini rezultat interakcije između polja zračenja i čestica koje čine materiju, i njenog jezgra. suština je prelaz čestica između različitih energetskih nivoa. Postoje tri različita procesa u interakciji između svjetlosti i materije: spontana emisija, stimulirana emisija i stimulirana apsorpcija. Za sistem koji sadrži veliki broj čestica, ova tri procesa uvijek koegzistiraju i usko su povezana.

Spontana emisija:

Kao što je prikazano na slici: elektron na visokoenergetskom nivou E2 spontano prelazi na niskoenergetski nivo E1 i emituje foton sa energijom hv, a hv=E2-E1; Ovaj spontani i nepovezani prelazni proces naziva se spontana tranzicija, a svetlosni talasi koje emituju spontani prelazi nazivaju se spontanim zračenjem.

Karakteristike spontane emisije: Svaki foton je nezavisan, sa različitim pravcima i fazama, a vreme nastanka je takođe nasumično. Pripada nekoherentnoj i haotičnoj svjetlosti, koja nije svjetlost koju zahtijeva laser. Stoga proces generiranja lasera treba da smanji ovu vrstu zalutalog svjetla. Ovo je takođe jedan od razloga zašto talasna dužina različitih lasera ima zalutalu svetlost. Ako se dobro kontroliše, udio spontane emisije u laseru može se zanemariti. Što je laser čišći, kao što je 1060 nm, to je sve 1060 nm. Ovaj tip lasera ima relativno stabilnu stopu apsorpcije i snagu.

Stimulirana apsorpcija:

Elektroni na niskim energetskim nivoima (niske orbitale), nakon apsorpcije fotona, prelaze na više energetske nivoe (visoke orbitale), a ovaj proces se naziva stimulisana apsorpcija. Stimulirana apsorpcija je ključna i jedan od ključnih procesa pumpanja. Izvor pumpe lasera daje energiju fotona da prouzrokuje tranziciju čestica u mediju za pojačanje i čekanje na stimulirano zračenje na višim nivoima energije, emitujući laser.

Stimulirano zračenje:

Kada je ozračen svjetlošću vanjske energije (hv=E2-E1), elektron na visokom energetskom nivou pobuđuje se vanjskim fotonom i skače na niskoenergetski nivo (visoka orbita ide na nisku orbitu). Istovremeno, emituje foton koji je potpuno isti kao i spoljašnji foton. Ovaj proces ne apsorbira izvornu pobudnu svjetlost, tako da će postojati dva identična fotona, što se može shvatiti kao elektron izbacuje prethodno apsorbirani foton. Ovaj proces luminescencije naziva se stimulirano zračenje, što je obrnuti proces stimulirane apsorpcije.

Nakon što je teorija jasna, vrlo je jednostavno napraviti laser, kao što je prikazano na gornjoj slici: u normalnim uvjetima stabilnosti materijala, velika većina elektrona je u osnovnom stanju, elektroni u osnovnom stanju, a laser ovisi o stimulisano zračenje. Dakle, struktura lasera treba da omogući da se prvo dogodi stimulisana apsorpcija, dovodeći elektrone do visokog energetskog nivoa, a zatim da obezbedi pobudu da izazove veliki broj elektrona visokog energetskog nivoa da se podvrgnu stimulisanom zračenju, oslobađajući fotone. može se generisati laser. Zatim ćemo predstaviti lasersku strukturu.

Laserska struktura:

Uskladite strukturu lasera s prethodno navedenim uvjetima generiranja lasera jedan po jedan:

Uslov nastanka i odgovarajuća struktura:

1. Postoji medij za pojačanje koji pruža efekat pojačanja kao radni medij lasera, a njegove aktivirane čestice imaju strukturu energetskog nivoa pogodnu za generiranje stimuliranog zračenja (uglavnom sposobne da pumpaju elektrone na visokoenergetske orbitale i postoje u određenom vremenskom periodu , a zatim otpuštaju fotone u jednom dahu kroz stimulirano zračenje);

2. Postoji vanjski izvor pobude (pumpni izvor) koji može pumpati elektrone sa donjeg nivoa na gornji nivo, uzrokujući inverziju broja čestica između gornjeg i donjeg nivoa lasera (tj. kada ima više čestica visoke energije od niskoenergetske čestice), kao što je ksenonska lampa u YAG laserima;

3. Postoji rezonantna šupljina koja može postići lasersku oscilaciju, povećati radnu dužinu laserskog radnog materijala, ekranizirati mod svjetlosnog vala, kontrolirati smjer širenja zraka, selektivno pojačati frekvenciju stimuliranog zračenja kako bi se poboljšala monokromatnost (osiguravajući da laser izlazi pri određenoj energiji).

Odgovarajuća struktura je prikazana na gornjoj slici, koja je jednostavna struktura YAG lasera. Druge strukture mogu biti složenije, ali jezgro je ovo. Proces proizvodnje lasera prikazan je na slici:

Klasifikacija lasera: generalno klasifikovana po medijumu pojačanja ili po obliku laserske energije

Dobiti srednju klasifikaciju:

Laser na ugljen dioksidu: Medijum za pojačavanje lasera sa ugljendioksidom je helijum iCO2 laser,sa talasnom dužinom lasera od 10,6um, što je jedan od najranijih laserskih proizvoda koji je lansiran. Rano lasersko zavarivanje se uglavnom baziralo na laseru sa ugljičnim dioksidom, koji se trenutno uglavnom koristi za zavarivanje i rezanje nemetalnih materijala (tkanina, plastika, drvo, itd.). Osim toga, koristi se i na litografskim mašinama. Laser na ugljičnom dioksidu ne može se prenijeti kroz optička vlakna i putuje kroz prostorne optičke puteve. Najraniji Tongkuai je urađen relativno dobro, a korišteno je mnogo opreme za rezanje;

YAG (itrijum aluminijski granat) laser: YAG kristali dopirani neodimijum (Nd) ili itrijum (Yb) metalnim ionima se koriste kao medij za pojačavanje lasera, sa talasnom dužinom emisije od 1,06um. YAG laser može proizvesti veće impulse, ali je prosječna snaga niska, a vršna snaga može doseći 15 puta veću od prosječne snage. Ako je to uglavnom pulsni laser, kontinuirani izlaz se ne može postići; Ali može se prenijeti kroz optička vlakna, au isto vrijeme, stopa apsorpcije metalnih materijala se povećava, i počinje se primjenjivati ​​u materijalima visoke refleksije, prvo primijenjenim u 3C polju;

Fiber laser: Trenutni mainstream na tržištu koristi vlakna dopirana iterbijem kao medij za pojačanje, sa talasnom dužinom od 1060nm. Nadalje se dijeli na lasere s vlaknima i lasere na disk na osnovu oblika medija; Optička vlakna predstavlja IPG, dok disk predstavlja Tongkuai.

Poluprovodnički laser: Pojačani medij je poluvodički PN spoj, a talasna dužina poluprovodničkog lasera je uglavnom na 976 nm. Trenutno se za oblaganje uglavnom koriste poluvodički laseri blizu infracrvenog zračenja, sa svjetlosnim mrljama iznad 600um. Laserline je reprezentativno preduzeće za proizvodnju poluprovodničkih lasera.

Klasificirani prema obliku energetskog djelovanja: pulsni laser (PULSE), kvazi kontinuirani laser (QCW), kontinuirani laser (CW)

Pulsni laser: nanosekundni, pikosekundni, femtosekundni, ovaj visokofrekventni impulsni laser (ns, širina impulsa) često može postići visoku vršnu energiju, obradu visoke frekvencije (MHZ), koristi se za obradu tankih bakarnih i aluminijumskih različitih materijala, kao i za čišćenje uglavnom . Koristeći visoku vršnu energiju, može brzo rastopiti osnovni materijal, uz kratko vrijeme djelovanja i malu zonu pod utjecajem topline. Ima prednosti u obradi ultra tankih materijala (ispod 0,5 mm);

Kvazi kontinuirani laser (QCW): Zbog velike stope ponavljanja i niskog radnog ciklusa (ispod 50%), širina impulsaQCW laserdostiže 50 us-50 ms, popunjavajući prazninu između kontinualnog fiber lasera na nivou kilovata i impulsnog lasera s Q-switched; Vrhunska snaga kvazikontinualnog laserskog lasera može doseći 10 puta prosječnu snagu u kontinuiranom radu. QCW laseri generalno imaju dva načina rada, jedan je kontinuirano zavarivanje pri maloj snazi, a drugi je pulsno lasersko zavarivanje sa vršnom snagom od 10 puta prosječne snage, čime se mogu postići deblji materijali i više toplinskog zavarivanja, dok se također kontrolira toplina unutar vrlo mali domet;

Kontinuirani laser (CW): Ovo se najčešće koristi, a većina lasera koji se mogu vidjeti na tržištu su CW laseri koji kontinuirano proizvode laser za obradu zavarivanja. Fiber laseri se dijele na jednomodne i višemodne lasere prema različitim promjerima jezgre i kvalitetu zraka, a mogu se prilagoditi različitim scenarijima primjene.