Lāzera ģenerēšanas princips

Kāpēc mums jāzina lāzeru darbības princips?

Zinot atšķirības starp parastajiem pusvadītāju lāzeriem, šķiedrām, diskiem unYAG lāzersvar arī palīdzēt iegūt labāku izpratni un iesaistīties vairāk diskusijās atlases procesā.

Rakstā galvenā uzmanība pievērsta populārzinātnei: īss ievads lāzera ģenerēšanas principam, lāzeru galvenajai uzbūvei un vairākiem izplatītiem lāzeru veidiem.

Pirmkārt, lāzera ģenerēšanas princips

Lāzers tiek ģenerēts gaismas un matērijas mijiedarbības rezultātā, ko sauc par stimulētā starojuma pastiprināšanu; Lai izprastu stimulētā starojuma pastiprināšanu, ir jāsaprot Einšteina spontānas emisijas, stimulētas absorbcijas un stimulētā starojuma jēdzieni, kā arī daži nepieciešamie teorētiskie pamati.

1. teorētiskā bāze: Bora modelis

Bora modelis galvenokārt nodrošina atomu iekšējo struktūru, ļaujot viegli saprast, kā rodas lāzeri. Atoms sastāv no kodola un elektroniem ārpus kodola, un elektronu orbitāles nav patvaļīgas. Elektroniem ir tikai noteiktas orbitāles, starp kurām visdziļāko orbitāli sauc par pamatstāvokli; Ja elektrons atrodas pamatstāvoklī, tā enerģija ir viszemākā. Ja elektrons izlec no orbītas, to sauc par pirmo ierosināto stāvokli, un pirmā ierosinātā stāvokļa enerģija būs lielāka nekā pamatstāvokļa enerģija; Citu orbītu sauc par otro ierosināto stāvokli;

Iemesls, kāpēc lāzers var rasties, ir tāpēc, ka elektroni šajā modelī pārvietosies pa dažādām orbītām. Ja elektroni absorbē enerģiju, tie var darboties no pamata stāvokļa uz ierosināto stāvokli; Ja elektrons atgriežas no ierosinātā stāvokļa pamata stāvoklī, tas atbrīvos enerģiju, kas bieži tiek atbrīvota lāzera veidā.

2. teorētiskais pamatojums: Einšteina stimulētā starojuma teorija

1917. gadā Einšteins ierosināja stimulētā starojuma teoriju, kas ir lāzeru un lāzeru ražošanas teorētiskais pamats: vielas absorbcija vai emisija būtībā ir radiācijas lauka un daļiņu, kas veido vielu, un tās kodola mijiedarbības rezultāts. būtība ir daļiņu pāreja starp dažādiem enerģijas līmeņiem. Gaismas un matērijas mijiedarbībā ir trīs dažādi procesi: spontāna emisija, stimulēta emisija un stimulēta absorbcija. Sistēmai, kas satur lielu skaitu daļiņu, šie trīs procesi vienmēr pastāv līdzās un ir cieši saistīti.

Spontāna emisija:

Kā parādīts attēlā: elektrons augstas enerģijas līmenī E2 spontāni pāriet uz zemas enerģijas līmeni E1 un izstaro fotonu ar enerģiju hv, un hv=E2-E1; Šo spontānu un nesaistīto pārejas procesu sauc par spontānu pāreju, un spontānu pāreju izstarotos gaismas viļņus sauc par spontānu starojumu.

Spontānās emisijas raksturojums: Katrs fotons ir neatkarīgs, ar dažādiem virzieniem un fāzēm, un arī rašanās laiks ir nejaušs. Tas pieder pie nesakarīgas un haotiskas gaismas, kas nav lāzeram nepieciešamā gaisma. Tāpēc lāzera ģenerēšanas procesā ir jāsamazina šāda veida izkliedētā gaisma. Tas ir arī viens no iemesliem, kāpēc dažādu lāzeru viļņu garumā ir izkliedēta gaisma. Labi kontrolējot, spontānās emisijas proporciju lāzerā var ignorēt. Jo tīrāks ir lāzers, piemēram, 1060 nm, tas viss ir 1060 nm. Šim lāzera tipam ir salīdzinoši stabils absorbcijas ātrums un jauda.

Stimulēta uzsūkšanās:

Elektroni zemā enerģijas līmenī (zemas orbitāles), pēc fotonu absorbcijas pāriet uz augstākiem enerģijas līmeņiem (augstas orbitāles), un šo procesu sauc par stimulētu absorbciju. Stimulēta absorbcija ir ļoti svarīga un viens no galvenajiem sūknēšanas procesiem. Lāzera sūkņa avots nodrošina fotonu enerģiju, lai izraisītu pastiprināšanas vides daļiņu pāreju un gaidītu stimulētu starojumu augstākos enerģijas līmeņos, izstarojot lāzeru.

Stimulēts starojums:

Apstarojot ar ārējās enerģijas gaismu (hv=E2-E1), elektronu augstā enerģijas līmenī ierosina ārējais fotons un tas pārlec uz zemās enerģijas līmeni (augstā orbīta skrien uz zemo orbītu). Tajā pašā laikā tas izstaro fotonu, kas ir tieši tāds pats kā ārējais fotons. Šis process neuzsūc sākotnējo ierosmes gaismu, tāpēc būs divi identiski fotoni, ko var saprast kā elektronu izspļauj iepriekš absorbēto fotonu, Šo luminiscences procesu sauc par stimulēto starojumu, kas ir apgrieztais stimulētās absorbcijas process.

Kad teorija ir skaidra, ir ļoti vienkārši izveidot lāzeru, kā parādīts iepriekš attēlā: normālos materiāla stabilitātes apstākļos lielākā daļa elektronu atrodas pamata stāvoklī, elektroni pamata stāvoklī, un lāzers ir atkarīgs no stimulēts starojums. Tāpēc lāzera struktūrai ir jāļauj vispirms notikt stimulētai absorbcijai, elektronus paceļot līdz augstam enerģijas līmenim un pēc tam nodrošinot ierosmi, lai izraisītu lielu skaitu augsta enerģijas līmeņa elektronu, kas pakļautu stimulētu starojumu, atbrīvojot fotonus. var ģenerēt lāzeru. Tālāk mēs iepazīstināsim ar lāzera struktūru.

Lāzera struktūra:

Saskaņojiet lāzera struktūru ar iepriekš minētajiem lāzera ģenerēšanas nosacījumiem pa vienam:

Notikuma nosacījums un atbilstošā struktūra:

1. Ir pastiprināšanas vide, kas nodrošina pastiprināšanas efektu kā lāzera darba vide, un tās aktivētajām daļiņām ir enerģijas līmeņa struktūra, kas piemērota stimulēta starojuma ģenerēšanai (galvenokārt spēj sūknēt elektronus uz augstas enerģijas orbitālēm un pastāvēt noteiktu laika periodu , un pēc tam atbrīvo fotonus vienā elpas vilcienā, izmantojot stimulētu starojumu);

2. Ir ārējs ierosmes avots (sūkņa avots), kas var sūknēt elektronus no apakšējā līmeņa uz augšējo līmeni, izraisot daļiņu skaita inversiju starp lāzera augšējo un apakšējo līmeni (ti, ja ir vairāk augstas enerģijas daļiņu nekā zemas enerģijas daļiņas), piemēram, ksenona lampa YAG lāzeros;

3. Ir rezonanses dobums, kas var panākt lāzera svārstības, palielināt lāzera darba materiāla darba garumu, ekrāna gaismas viļņu režīmu, kontrolēt staru izplatīšanās virzienu, selektīvi pastiprināt stimulētā starojuma frekvenci, lai uzlabotu monohromatitāti (nodrošinot, ka lāzers tiek izvadīts ar noteiktu enerģiju).

Atbilstošā struktūra ir parādīta iepriekš attēlā, kas ir vienkārša YAG lāzera struktūra. Citas struktūras var būt sarežģītākas, taču būtība ir tāda. Lāzera ģenerēšanas process ir parādīts attēlā:

Lāzera klasifikācija: parasti klasificē pēc pastiprināšanas vides vai lāzera enerģijas formas

Iegūstiet vidēju klasifikāciju:

Oglekļa dioksīda lāzers: Oglekļa dioksīda lāzera pastiprināšanas vide ir hēlijs unCO2 lāzers,ar lāzera viļņa garumu 10,6 um, kas ir viens no agrākajiem lāzera izstrādājumiem, kas tika laisti tirgū. Agrīnās lāzermetināšanas pamatā galvenokārt bija oglekļa dioksīda lāzers, ko šobrīd galvenokārt izmanto nemetālisku materiālu (audumu, plastmasas, koka u.c.) metināšanai un griešanai. Turklāt to izmanto arī litogrāfijas iekārtās. Oglekļa dioksīda lāzeru nevar pārraidīt caur optiskajām šķiedrām un tas pārvietojas pa telpiskajiem optiskajiem ceļiem. Agrākais Tongkuai tika veikts salīdzinoši labi, un tika izmantots daudz griešanas iekārtu;

YAG (itrija alumīnija granāta) lāzers: YAG kristāli, kas leģēti ar neodīma (Nd) vai itrija (Yb) metāla joniem, tiek izmantoti kā lāzera pastiprināšanas vide ar emisijas viļņa garumu 1,06 um. YAG lāzers var izvadīt lielākus impulsus, taču vidējā jauda ir zema, un maksimālā jauda var sasniegt 15 reizes vidējo jaudu. Ja tas galvenokārt ir impulsu lāzers, nevar panākt nepārtrauktu izvadi; Bet to var pārraidīt caur optiskajām šķiedrām, un tajā pašā laikā palielinās metāla materiālu absorbcijas ātrums, un to sāk lietot materiālos ar augstu atstarošanas spēju, kas pirmo reizi tiek izmantots 3C laukā;

Šķiedru lāzers. Pašreizējā tirgū kā pastiprināšanas līdzeklis tiek izmantota iterbija leģēta šķiedra ar viļņa garumu 1060 nm. To tālāk iedala šķiedru un disku lāzeros, pamatojoties uz barotnes formu; Optiskā šķiedra apzīmē IPG, savukārt disks apzīmē Tongkuai.

Pusvadītāju lāzers: pastiprinājuma vide ir pusvadītāju PN pāreja, un pusvadītāju lāzera viļņa garums galvenokārt ir 976 nm. Pašlaik pusvadītāju infrasarkanie lāzeri galvenokārt tiek izmantoti apšuvumam ar gaismas plankumiem virs 600 um. Laserline ir reprezentatīvs pusvadītāju lāzeru uzņēmums.

Klasificēts pēc enerģijas iedarbības veida: impulsu lāzers (PULSE), gandrīz nepārtraukts lāzers (QCW), nepārtraukts lāzers (CW)

Impulsu lāzers: nanosekunde, pikosekunde, femtosekunde, šis augstfrekvences impulsa lāzers (ns, impulsa platums) bieži var sasniegt augstu maksimālo enerģiju, augstas frekvences (MHZ) apstrādi, ko izmanto plānu vara un alumīnija atšķirīgu materiālu apstrādei, kā arī tīrīšanai galvenokārt . Izmantojot augstu maksimālo enerģiju, tas var ātri izkausēt pamatmateriālu ar mazu darbības laiku un nelielu siltuma ietekmēto zonu. Tam ir priekšrocības īpaši plānu materiālu apstrādē (zem 0,5 mm);

Kvazi nepārtraukts lāzers (QCW): lielā atkārtošanās ātruma un zemā darba cikla (zem 50%) dēļ impulsa platumsQCW lāzerssasniedz 50 us-50 ms, aizpildot plaisu starp kilovatu līmeņa nepārtrauktas šķiedras lāzeru un Q-switched impulsu lāzeru; Kvazi nepārtrauktas šķiedras lāzera maksimālā jauda var sasniegt 10 reizes vidējo jaudu nepārtrauktā režīmā. QCW lāzeriem parasti ir divi režīmi, viens ir nepārtraukta metināšana ar mazu jaudu, bet otrs ir impulsu lāzermetināšana ar maksimālo jaudu, kas 10 reizes pārsniedz vidējo jaudu, kas var iegūt biezākus materiālus un vairāk karstuma metināšanas, vienlaikus kontrolējot siltumu ļoti mazs diapazons;

Nepārtrauktais lāzers (CW): tas ir visbiežāk izmantotais, un lielākā daļa tirgū redzamo lāzeru ir CW lāzeri, kas nepārtraukti izvada lāzeru metināšanas apstrādei. Šķiedru lāzerus iedala viena režīma un vairāku režīmu lāzeros atbilstoši dažādiem serdes diametriem un staru kūļa īpašībām, un tos var pielāgot dažādiem pielietojuma scenārijiem.