Princip laserske generacije

Zašto trebamo znati princip lasera?

Poznavanje razlika između uobičajenih poluprovodničkih lasera, vlakana, diskova iYAG lasertakođer može pomoći u boljem razumijevanju i uključivanju u više diskusija tokom procesa odabira.

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

Prvo, princip laserske generacije

Laser se generira interakcijom između svjetlosti i materije, poznatom kao pojačanje stimuliranog zračenja; Razumijevanje pojačanja stimuliranog zračenja zahtijeva razumijevanje Einsteinovih koncepata spontane emisije, stimulirane apsorpcije i stimuliranog zračenja, kao i nekih potrebnih teorijskih 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 najunutarnja 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 naziva se drugo pobuđeno stanje;

Razlog zašto se laser može pojaviti je taj što se elektroni u ovom modelu kreću u različitim orbitama. Ako elektroni apsorbiraju energiju, mogu preći iz osnovnog stanja u pobuđeno stanje; ako se elektron vrati iz pobuđenog stanja u osnovno stanje, oslobodit će energiju, koja se često oslobađa u obliku lasera.

Teorijska osnova 2: Einsteinova teorija stimuliranog zračenja

Godine 1917. Einstein je predložio teoriju stimuliranog 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, a njena osnovna suština je prelazak 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 blisko 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, gdje je hv=E2-E1; Ovaj spontani i nepovezani proces prelaza naziva se spontani prelaz, a svjetlosni talasi koje emituju spontani prelazi nazivaju se spontano zračenje.

Karakteristike spontane emisije: Svaki foton je nezavisan, sa različitim smjerovima i fazama, a vrijeme pojave je također slučajno. Pripada nekoherentnoj i haotičnoj svjetlosti, što nije svjetlost potrebna laseru. Stoga, proces generiranja lasera mora smanjiti ovu vrstu zalutale svjetlosti. To je također jedan od razloga zašto valna dužina različitih lasera ima zalutalu svjetlost. Ako se dobro kontrolira, udio spontane emisije u laseru može se zanemariti. Što je laser čistiji, poput 1060 nm, to je sve 1060 nm. Ova vrsta lasera ima relativno stabilnu brzinu apsorpcije i snagu.

Stimulisana 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. Stimulisana apsorpcija je ključna i jedan je od ključnih procesa pumpanja. Izvor pumpanja lasera obezbjeđuje energiju fotona kako bi čestice u mediju za pojačanje prešle u drugi oblik i čekale stimulisano zračenje na višim energetskim nivoima, emitujući laser.

Stimulisano zračenje:

Kada je ozračen svjetlošću vanjske energije (hv=E2-E1), elektron na visokom energetskom nivou biva pobuđen vanjskim fotonom i skače na niski energetski nivo (visoka orbita ide ka niskoj orbiti). Istovremeno, emituje foton koji je potpuno isti kao i vanjski foton. Ovaj proces ne apsorbuje originalnu pobuđenu svjetlost, tako da će postojati dva identična fotona, što se može shvatiti kao da elektron izbacuje prethodno apsorbovani foton. Ovaj proces luminescencije naziva se stimulisano zračenje, što je obrnut proces stimulisane apsorpcije.

Nakon što je teorija jasna, vrlo je jednostavno konstruirati laser, kao što je prikazano na gornjoj slici: pod normalnim uvjetima stabilnosti materijala, velika većina elektrona je u osnovnom stanju, a laser ovisi o stimuliranom zračenju. Stoga je struktura lasera takva da prvo omogući stimuliranu apsorpciju, dovodeći elektrone na visoki energetski nivo, a zatim osiguravajući pobuđivanje koje uzrokuje da veliki broj elektrona visokog energetskog nivoa prođe stimulirano zračenje, oslobađajući fotone. Iz ovoga se može generirati laser. Zatim ćemo predstaviti strukturu lasera.

Struktura lasera:

Usporedite strukturu lasera s ranije spomenutim uvjetima generiranja lasera, jedan po jedan:

Uslov pojave 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 generisanje stimulisanog zračenja (uglavnom sposobne da pumpaju elektrone u visokoenergetske orbitale i postoje određeni vremenski period, a zatim oslobađaju fotone u jednom dahu putem stimulisanog zračenja);

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

3. Postoji rezonantna šupljina koja može postići lasersku oscilaciju, povećati radnu dužinu laserskog radnog materijala, filtrirati mod svjetlosnog vala, kontrolirati smjer širenja snopa, selektivno pojačati stimuliranu frekvenciju zračenja kako bi se poboljšala monohromatskost (osiguravajući da laser emitira određenu energiju).

Odgovarajuća struktura je prikazana na gornjoj slici, koja predstavlja jednostavnu strukturu YAG lasera. Druge strukture mogu biti složenije, ali suština je sljedeća. Proces generisanja lasera prikazan je na slici:

Klasifikacija lasera: generalno se klasifikuje prema mediju za pojačanje ili prema obliku laserske energije

Klasifikacija srednjeg pojačanja:

Laser ugljik-dioksidaPojačivač svjetlosti ugljik-dioksidnog lasera je helijum iCO2 laser,sa laserskom talasnom dužinom od 10,6 mikrona, što je jedan od najranijih laserskih proizvoda koji je lansiran. Rano lasersko zavarivanje uglavnom se zasnivalo na ugljen-dioksidnom laseru, koji se trenutno uglavnom koristi za zavarivanje i rezanje nemetalnih materijala (tkanina, plastike, drveta itd.). Osim toga, koristi se i na litografskim mašinama. Ugljen-dioksidni laser se ne može prenositi kroz optička vlakna i putuje kroz prostorne optičke putanje. Najraniji Tongkuai je urađen relativno dobro i korišteno je mnogo opreme za rezanje;

YAG (itrij aluminij granat) laser: YAG kristali dopirani metalnim ionima neodimija (Nd) ili itrija (Yb) koriste se kao laserski medij za pojačanje, s valnom dužinom emisije od 1,06 μm. YAG laser može proizvesti veće impulse, ali prosječna snaga je niska, a vršna snaga može doseći 15 puta veću prosječnu snagu. Ako se uglavnom radi o pulsnom laseru, ne može se postići kontinuirani izlaz; Ali se može prenositi kroz optička vlakna, a istovremeno se povećava brzina apsorpcije metalnih materijala, te se počinje primjenjivati ​​u materijalima s visokom refleksijom, prvo primijenjenim u 3C polju;

Fiber laser: Trenutni mainstream na tržištu koristi iterbijumom dopirana vlakna kao medij za pojačanje, sa talasnom dužinom od 1060nm. Dalje se dijele na vlaknaste i disk lasere na osnovu oblika medija; optičko vlakno predstavlja IPG, dok disk predstavlja Tongkuai.

Poluprovodnički laser: Pojačavajući medij je poluprovodnički PN spoj, a talasna dužina poluprovodničkog lasera je uglavnom 976 nm. Trenutno se poluprovodnički laseri bliskog infracrvenog zračenja uglavnom koriste za oblaganje, sa svjetlosnim tačkama iznad 600 μm. Laserline je reprezentativno preduzeće za poluprovodničke lasere.

Klasificirano prema obliku djelovanja energije: Pulsni laser (PULSE), kvazikontinuirani laser (QCW), kontinuirani laser (CW)

Pulsni laser: nanosekundni, pikosekundni, femtosekundni, ovaj visokofrekventni pulsni laser (ns, širina impulsa) često može postići visoku vršnu energiju, visokofrekventnu (MHZ) obradu, koristi se za obradu tankih bakrenih i aluminijskih različitih materijala, kao i uglavnom za čišćenje. Korištenjem visoke vršne energije, može brzo otopiti osnovni materijal, uz kratko vrijeme djelovanja i malu zonu utjecaja topline. Ima prednosti u obradi ultra tankih materijala (ispod 0,5 mm);

Kvazikontinuirani laser (QCW): Zbog visoke brzine ponavljanja i niskog radnog ciklusa (ispod 50%), širina impulsa odQCW laserdostiže 50 us-50 ms, popunjavajući prazninu između kontinuiranog vlaknastog lasera kilovatnog nivoa i Q-prekidačkog pulsnog lasera; Vršna snaga kvazi-kontinuiranog vlaknastog lasera može doseći 10 puta veću od prosječne snage u kontinuiranom režimu rada. QCW laseri uglavnom imaju dva režima rada, jedan je kontinuirano zavarivanje pri maloj snazi, a drugi je pulsno lasersko zavarivanje sa vršnom snagom od 10 puta većom od prosječne snage, što može postići deblje materijale i više toplote zavarivanja, a istovremeno kontrolisati toplotu u vrlo malom rasponu;

Kontinuirani laser (CW): Ovo je najčešće korišteni laser, a većina lasera koji se vide na tržištu su CW laseri koji kontinuirano proizvode laser za zavarivanje. Vlaknasti laseri se dijele na jednomodne i višemodne lasere prema različitim promjerima jezgre i kvaliteti snopa, te se mogu prilagoditi različitim scenarijima primjene.