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 procesa laikā.

Rakstā galvenokārt uzmanība pievērsta populārzinātnei: īss ievads lāzera ģenerēšanas principā, lāzeru galvenajā struktūrā un vairākos izplatītākajos lāzeru veidos.

Pirmkārt, lāzera ģenerēšanas princips

Lāzers rodas gaismas un matērijas mijiedarbībā, kas pazīstama kā stimulēta starojuma pastiprināšana; Lai izprastu stimulēta starojuma pastiprināšanu, ir jāsaprot Einšteina spontānas emisijas, stimulētas absorbcijas un stimulēta starojuma koncepcijas, kā arī daži nepieciešamie teorētiskie pamati.

Teorētiskais pamats 1: Bora modelis

Bora modelis galvenokārt sniedz atomu iekšējo struktūru, atvieglojot lāzeru rašanās izpratni. Atoms sastāv no kodola un elektroniem ārpus kodola, un elektronu orbitāles nav patvaļīgas. Elektroniem ir tikai noteiktas orbitāles, starp kurām iekšējā orbitāle tiek saukta 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 augstāka nekā pamatstāvokļa enerģija; Otro orbītu sauc par otro ierosināto stāvokli;

Lāzera iedarbības iemesls ir elektronu kustības parādīšanās dažādās orbītās šajā modelī. Ja elektroni absorbē enerģiju, tie var pāriet no pamatstāvokļa uz ierosināto stāvokli; ja elektrons atgriežas no ierosinātā stāvokļa uz pamatstāvokli, tas atbrīvo enerģiju, kas bieži tiek atbrīvota lāzera veidā.

Teorētiskais pamats 2: Einšteina stimulētā starojuma teorija

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

Spontāna emisija:

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

Spontānās emisijas raksturojums: katrs fotons ir neatkarīgs, ar dažādiem virzieniem un fāzēm, un arī rašanās laiks ir nejaušs. Tā pieder pie nekoherentās un haotiskās gaismas, kas nav lāzeram nepieciešamā gaisma. Tāpēc lāzera ģenerēšanas procesam ir jāsamazina šāda veida izkliedētā gaisma. Tas ir arī viens no iemesliem, kāpēc dažādu lāzeru viļņa garumā ir izkliedētā gaisma. Ja to labi kontrolē, spontānās emisijas īpatsvaru lāzerā var ignorēt. Jo tīrāks lāzers, piemēram, 1060 nm, tas viss ir 1060 nm. Šāda veida lāzeram ir relatīvi stabils absorbcijas ātrums un jauda.

Stimulēta absorbcija:

Elektroni zemā enerģijas līmenī (zemās orbitālēs) pēc fotonu absorbcijas pāriet uz augstāku enerģijas līmeni (augstām orbitālēm), un šo procesu sauc par stimulētu absorbciju. Stimulētā absorbcija ir izšķiroša un viens no galvenajiem sūknēšanas procesiem. Lāzera sūknēšanas avots nodrošina fotonu enerģiju, lai izraisītu daļiņu pāreju pastiprināšanas vidē un gaidītu stimulētu starojumu augstākā enerģijas līmenī, izstarojot lāzeru.

Stimulētā radiācija:

Kad elektronu ar augstu enerģijas līmeni apstaro ārēja enerģija (hv=E2-E1), to ierosina ārējais fotons, un tas pāriet uz zemāko enerģijas līmeni (augstā orbīta virzās uz zemāko orbītu). Vienlaikus tas izstaro fotonu, kas ir tieši tāds pats kā ārējais fotons. Šis process neabsorbē sākotnējo ierosmes gaismu, tāpēc būs divi identiski fotoni, ko var saprast kā elektrona izstaroto iepriekš absorbēto fotonu. Šo luminiscences procesu sauc par stimulētu starojumu, kas ir stimulētas absorbcijas apgrieztais process.

Pēc teorijas skaidrošanas lāzera uzbūve ir ļoti vienkārša, kā parādīts iepriekš redzamajā attēlā: normālos materiāla stabilitātes apstākļos lielākā daļa elektronu atrodas pamatstāvoklī, elektroni atrodas pamatstāvoklī, un lāzers ir atkarīgs no stimulēta starojuma. Tāpēc lāzera struktūra ir tāda, lai vispirms notiktu stimulēta absorbcija, elektronus sasniedzot augstu enerģijas līmeni, un pēc tam nodrošinot ierosmi, lai liels skaits augsta enerģijas līmeņa elektronu pakļautu stimulētam starojumam, atbrīvojot fotonus. No tā var ģenerēt lāzeru. Tālāk mēs iepazīstināsim ar lāzera struktūru.

Lāzera struktūra:

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

Notikuma apstākļi un atbilstošā struktūra:

1. Pastāv pastiprināšanas vide, kas nodrošina pastiprināšanas efektu kā lāzera darba vide, un tās aktivētajām daļiņām ir enerģijas līmeņa struktūra, kas piemērota stimulēta starojuma ģenerēšanai (galvenokārt tās spēj pumpēt elektronus uz augstas enerģijas orbitālēm un pastāvēt noteiktu laika periodu, un pēc tam ar stimulēta starojuma palīdzību atbrīvot fotonus vienā elpas vilcienā);

2. Pastāv 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 (t. i., kad ir vairāk augstas enerģijas daļiņu nekā zemas enerģijas daļiņu), piemēram, ksenona lampa YAG lāzeros;

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

Atbilstošā struktūra ir parādīta iepriekš redzamajā attēlā, kas ir vienkārša YAG lāzera struktūra. Citas struktūras var būt sarežģītākas, bet kodols ir šāds. Lāzera ģenerēšanas process ir parādīts attēlā:

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

Iegūt vidēju klasifikāciju:

Oglekļa dioksīda lāzersOglekļa dioksīda lāzera pastiprināšanas vide ir hēlijs unCO2 lāzers,ar lāzera viļņa garumu 10,6 μm, kas ir viens no agrākajiem lāzera izstrādājumiem, kas tika laists klajā. Agrīnā lāzermetināšana galvenokārt balstījās uz oglekļa dioksīda lāzeru, ko pašlaik galvenokārt izmanto nemetālisku materiālu (audumu, plastmasas, koka utt.) metināšanai un griešanai. Turklāt to izmanto arī litogrāfijas iekārtās. Oglekļa dioksīda lāzeru nevar pārraidīt caur optiskajām šķiedrām un tas pārvietojas pa telpiskiem optiskiem ceļiem. Agrākais Tongkuai tika veikts salīdzinoši labi, un tika izmantots daudz griešanas iekārtu;

YAG (itrija alumīnija granāta) lāzers: kā lāzera pastiprināšanas vidi izmanto YAG kristālus, kas leģēti ar neodīma (Nd) vai itrija (Yb) metāla joniem, ar emisijas viļņa garumu 1,06 μm. YAG lāzers var izstarot lielākus impulsus, bet vidējā jauda ir zema, un maksimālā jauda var sasniegt 15 reizes lielāku vidējo jaudu. Ja tas galvenokārt ir impulsu lāzers, nepārtrauktu jaudu nevar panākt; bet to var pārraidīt caur optiskajām šķiedrām, un vienlaikus palielinās metāla materiālu absorbcijas ātrums, un to sāk pielietot augstas atstarošanas materiālos, vispirms 3C laukā;

Šķiedru lāzers: Pašlaik tirgū galvenokārt tiek izmantota ar iterbiju leģēta šķiedra kā pastiprināšanas vide ar viļņa garumu 1060 nm. Atkarībā no vides formas to sīkāk iedala šķiedru un disku lāzeros; optiskā šķiedra apzīmē IPG, bet disks apzīmē Tongkuai.

Pusvadītāju lāzers: pastiprināšanas vide ir pusvadītāju PN pāreja, un pusvadītāju lāzera viļņa garums galvenokārt ir 976 nm. Pašlaik pusvadītāju tuvā infrasarkanā starojuma lāzerus galvenokārt izmanto apšuvumam, un gaismas plankumi ir lielāki par 600 µm. Laserline ir pusvadītāju lāzeru pārstāvisks uzņēmums.

Klasificēts pēc enerģijas iedarbības veida: impulsa lāzers (PULSE), kvazi nepārtrauktas darbības lāzers (QCW), nepārtrauktas darbības lāzers (CW)

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

Kvazinepārtrauktas darbības lāzers (QCW): Augsta atkārtošanās ātruma un zema darba cikla dēļ (zem 50%) impulsa platumsQCW lāzerssasniedz 50 μs–50 ms, aizpildot plaisu starp kilovatu līmeņa nepārtrauktās šķiedras lāzeru un Q-pārslēdzamā impulsa lāzeru; Kvazi nepārtrauktās šķiedras lāzera maksimālā jauda nepārtrauktas darbības režīmā var sasniegt 10 reizes lielāku vidējo jaudu. QCW lāzeriem parasti ir divi režīmi: viens ir nepārtraukta metināšana ar mazu jaudu un otrs ir impulsa lāzera metināšana ar maksimālo jaudu 10 reizes lielāku par vidējo jaudu, kas var panākt biezākus materiālus un lielāku karstuma metināšanu, vienlaikus kontrolējot karstumu ļoti šaurā diapazonā;

Nepārtrauktas darbības lāzers (CW): Šis ir visbiežāk izmantotais lāzers, un lielākā daļa tirgū pieejamo lāzeru ir CW lāzeri, kas nepārtraukti izstaro lāzera staru metināšanas apstrādei. Šķiedru lāzeri tiek iedalīti vienmoda un daudzmoda lāzeros atbilstoši dažādiem serdes diametriem un stara īpašībām, un tos var pielāgot dažādiem pielietojuma scenārijiem.