Princip generování laseru

Proč potřebujeme znát princip laserů?

Znát rozdíly mezi běžnými polovodičovými lasery, vlákny, disky aYAG lasermůže také pomoci získat lepší porozumění a zapojit se do více diskuzí během výběrového řízení.

Článek se zaměřuje především na populárně naučnou oblast: stručné seznámení s principem generování laseru, hlavní strukturou laserů a několika běžnými typy laserů.

Za prvé, princip generování laseru

Laser je generován prostřednictvím interakce mezi světlem a hmotou, známé jako zesílení stimulovaného záření; Pochopení zesílení stimulovaného záření vyžaduje pochopení Einsteinových konceptů spontánní emise, stimulované absorpce a stimulovaného záření, stejně jako některé nezbytné teoretické základy.

Teoretický základ 1: Bohrův model

Bohrův model poskytuje především vnitřní strukturu atomů, což usnadňuje pochopení toho, jak lasery vznikají. Atom se skládá z jádra a elektronů mimo jádro a orbitaly elektronů nejsou libovolné. Elektrony mají pouze určité orbitaly, mezi nimiž se nejvnitřnější orbital nazývá základní stav; Pokud je elektron v základním stavu, jeho energie je nejnižší. Pokud elektron vyskočí z oběžné dráhy, nazývá se první excitovaný stav a energie prvního excitovaného stavu bude vyšší než energie základního stavu; Další orbita se nazývá druhý excitovaný stav;

Důvod, proč se může objevit laser, je ten, že elektrony se v tomto modelu budou pohybovat po různých drahách. Pokud elektrony absorbují energii, mohou přecházet ze základního stavu do excitovaného stavu; Pokud se elektron vrátí z excitovaného stavu do základního stavu, uvolní energii, která se často uvolňuje ve formě laseru.

Teoretický základ 2: Einsteinova teorie stimulovaného záření

V roce 1917 Einstein navrhl teorii stimulovaného záření, která je teoretickým základem pro lasery a výrobu laserů: absorpce nebo emise hmoty je v podstatě výsledkem interakce mezi radiačním polem a částicemi, které tvoří hmotu, a jejím jádrem. podstatou je přechod částic mezi různými energetickými hladinami. V interakci mezi světlem a hmotou existují tři různé procesy: spontánní emise, stimulovaná emise a stimulovaná absorpce. Pro systém obsahující velké množství částic tyto tři procesy vždy koexistují a úzce spolu souvisí.

Spontánní emise:

Jak je znázorněno na obrázku: elektron na vysokoenergetické hladině E2 samovolně přechází na nízkoenergetickou hladinu E1 a emituje foton s energií hv a hv=E2-E1; Tento spontánní a nesouvisející proces přechodu se nazývá spontánní přechod a světelné vlny emitované spontánními přechody se nazývají spontánní záření.

Charakteristika spontánní emise: Každý foton je nezávislý, s různými směry a fázemi a čas výskytu je také náhodný. Patří k nekoherentnímu a chaotickému světlu, což není světlo požadované laserem. Proces generování laseru proto potřebuje snížit tento typ rozptýleného světla. To je také jeden z důvodů, proč má vlnová délka různých laserů rozptýlené světlo. Pokud je dobře řízen, podíl spontánní emise v laseru může být ignorován. Čím čistší je laser, např. 1060 nm, tím je celý 1060 nm. Tento typ laseru má relativně stabilní absorpční rychlost a výkon.

Stimulovaná absorpce:

Elektrony na nízkých energetických hladinách (nízké orbitaly) po pohlcení fotonů přecházejí na vyšší energetické hladiny (vysoké orbitaly) a tento proces se nazývá stimulovaná absorpce. Stimulovaná absorpce je zásadní a jeden z klíčových procesů čerpání. Čerpací zdroj laseru poskytuje fotonovou energii, která způsobí, že částice v zesilovacím médiu přejdou a čekají na stimulované záření o vyšších energetických hladinách, které emituje laser.

Stimulované záření:

Při ozáření světlem vnější energie (hv=E2-E1) je elektron na vysokoenergetické hladině excitován externím fotonem a přeskočí na nízkoenergetickou hladinu (vysoká dráha běží na nízkou dráhu). Zároveň emituje foton, který je úplně stejný jako externí foton. Tento proces neabsorbuje původní excitační světlo, takže budou existovat dva stejné fotony, což lze chápat tak, že elektron vyplivne dříve absorbovaný foton. Tento proces luminiscence se nazývá stimulované záření, což je opačný proces stimulované absorpce.

Poté, co je teorie jasná, je velmi jednoduché sestrojit laser, jak ukazuje obrázek výše: za normálních podmínek stability materiálu je naprostá většina elektronů v základním stavu, elektronů v základním stavu a laser závisí na stimulované záření. Struktura laseru má tedy umožnit, aby nejprve nastala stimulovaná absorpce, přivedla elektrony na vysokou energetickou hladinu a poté poskytla excitaci, která způsobí, že velké množství elektronů s vysokou energetickou hladinou podstoupí stimulované záření, čímž se uvolní fotony. lze vytvořit laser. Dále si představíme strukturu laseru.

Laserová struktura:

Přiřaďte laserovou strukturu k podmínkám generování laseru zmíněným výše jeden po druhém:

Podmínka výskytu a odpovídající struktura:

1. Existuje zesilovací médium, které poskytuje zesilovací efekt jako pracovní médium laseru, a jeho aktivované částice mají strukturu energetické hladiny vhodnou pro generování stimulovaného záření (zejména schopné pumpovat elektrony do vysokoenergetických orbitalů a existovat po určitou dobu a poté uvolněte fotony jedním dechem prostřednictvím stimulovaného záření);

2. Existuje externí zdroj buzení (zdroj pumpy), který může pumpovat elektrony z nižší úrovně na horní úroveň, což způsobuje inverzi počtu částic mezi horní a dolní úrovní laseru (tj. když je více vysokoenergetických částic než nízkoenergetické částice), jako je xenonová lampa v laserech YAG;

3. Existuje rezonanční dutina, která může dosáhnout oscilace laseru, zvýšit pracovní délku pracovního materiálu laseru, stínit režim světelných vln, řídit směr šíření paprsku, selektivně zesilovat frekvenci stimulovaného záření pro zlepšení monochromatičnosti (zajištění toho, laser je vydáván s určitou energií).

Odpovídající struktura je znázorněna na obrázku výše, což je jednoduchá struktura YAG laseru. Jiné struktury mohou být složitější, ale jádro je toto. Proces generování laseru je znázorněn na obrázku:

Klasifikace laseru: obecně klasifikována podle média zisku nebo podle formy laserové energie

Získat střední klasifikaci:

Laser s oxidem uhličitým: Médium zisku laseru na bázi oxidu uhličitého je helium aCO2 laser,s vlnovou délkou laseru 10,6 um, což je jeden z prvních laserových produktů, které byly uvedeny na trh. Rané laserové svařování bylo založeno především na laseru s oxidem uhličitým, který se v současnosti používá především pro svařování a řezání nekovových materiálů (tkaniny, plasty, dřevo atd.). Kromě toho se používá také na litografických strojích. Laser s oxidem uhličitým nelze přenášet přes optická vlákna a prochází prostorovými optickými cestami. První Tongkuai bylo provedeno relativně dobře a bylo použito mnoho řezného zařízení;

YAG (yttrium aluminium garnet) laser: YAG krystaly dopované kovovými ionty neodymu (Nd) nebo yttria (Yb) se používají jako médium pro zisk laseru s emisní vlnovou délkou 1,06 um. YAG laser může vydávat vyšší pulzy, ale průměrný výkon je nízký a špičkový výkon může dosáhnout 15násobku průměrného výkonu. Pokud se jedná převážně o pulzní laser, nelze dosáhnout kontinuálního výkonu; Může se ale přenášet přes optická vlákna a zároveň se zvyšuje míra absorpce kovových materiálů a začíná se uplatňovat v materiálech s vysokou odrazivostí, poprvé aplikovaných v oblasti 3C;

Vláknový laser: Současný hlavní proud na trhu používá vlákno dopované ytterbiem jako médium zisku, s vlnovou délkou 1060nm. Podle tvaru média se dále dělí na vláknové a kotoučové lasery; Optické vlákno představuje IPG, zatímco disk představuje Tongkuai.

Polovodičový laser: Médium zisku je polovodičový PN přechod a vlnová délka polovodičového laseru je hlavně 976 nm. V současné době se pro opláštění používají hlavně polovodičové blízké infračervené lasery se světelnými body nad 600 um. Laserline je reprezentativním podnikem polovodičových laserů.

Klasifikace podle formy energetického působení: Pulzní laser (PULSE), kvazi kontinuální laser (QCW), kontinuální laser (CW)

Pulzní laser: nanosekunda, pikosekunda, femtosekunda, tento vysokofrekvenční pulzní laser (ns, šířka pulzu) může často dosahovat vysoké špičkové energie, vysokofrekvenčního (MHZ) zpracování, používá se pro zpracování tenkých měděných a hliníkových nepodobných materiálů, stejně jako většinou čištění . Použitím vysoké špičkové energie může rychle roztavit základní materiál s nízkou dobou působení a malou tepelně ovlivněnou zónou. Má výhody při zpracování ultratenkých materiálů (pod 0,5 mm);

Kvazi kontinuální laser (QCW): Díky vysoké opakovací frekvenci a nízkému pracovnímu cyklu (pod 50 %) je šířka pulzuQCW laserdosahuje 50 us-50 ms, čímž vyplňuje mezeru mezi kontinuálním vláknovým laserem na úrovni kilowattů a pulzním laserem s přepínáním Q; Špičkový výkon kvazi kontinuálního vláknového laseru může dosáhnout 10násobku průměrného výkonu v nepřetržitém režimu. QCW lasery mají obecně dva režimy, jeden je kontinuální svařování při nízkém výkonu a druhý je pulzní laserové svařování se špičkovým výkonem 10krát vyšším než průměrný výkon, což umožňuje dosáhnout silnějších materiálů a vyššího tepelného svařování a zároveň regulovat teplo v rámci velmi malý rozsah;

Kontinuální laser (CW): Toto je nejběžněji používaný a většina laserů na trhu jsou CW lasery, které nepřetržitě vydávají laser pro svařování. Vláknové lasery se dělí na jednovidové a vícevidové podle různých průměrů jádra a kvality paprsku a lze je přizpůsobit různým aplikačním scénářům.