Princip generování laseru

Proč potřebujeme znát princip laserů?

Znalost rozdílů mezi běžnými polovodičovými lasery, vlákny, disky aYAG lasermůže také pomoci lépe porozumět a zapojit se do více diskusí během výběrového procesu.

Článek se zaměřuje především na populární vědu: stručný úvod do principu generování laseru, hlavní struktury laserů a několika běžných typů laserů.

Zaprvé, princip generování laseru

Laser vzniká interakcí mezi světlem a hmotou, známou jako zesílení stimulovaného záření. Pochopení zesílení stimulovaného záření vyžaduje pochopení Einsteinových konceptů spontánní emise, stimulované absorpce a stimulovaného záření, jakož i některých nezbytných teoretických základů.

Teoretický základ 1: Bohrův model

Bohrův model poskytuje především vnitřní strukturu atomů, což usnadňuje pochopení vzniku laserů. Atom se skládá z jádra a elektronů vně jádra a orbitaly elektronů nejsou libovolné. Elektrony mají pouze určité orbitaly, z nichž nejvnitřnější orbital se nazývá základní stav; pokud je elektron v základním stavu, jeho energie je nejnižší. Pokud elektron vyskočí z orbity, nazývá se to první excitovaný stav a energie prvního excitovaného stavu bude vyšší než energie základního stavu; další orbita se nazývá druhý excitovaný stav;

Důvod, proč může docházet k laserovému záření, je ten, že elektrony se v tomto modelu pohybují po různých drahách. Pokud elektrony absorbují energii, mohou přejít 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 jejich výrobu: absorpce nebo emise hmoty je v podstatě výsledkem interakce mezi zářivým polem a částicemi, které tvoří hmotu, a její 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. U systému obsahujícího velký počet částic tyto tři procesy vždy koexistují a jsou úzce spjaty.

Spontánní emise:

Jak je znázorněno na obrázku: elektron na vysokoenergetické hladině E2 spontánně přechází na nízkoenergetickou hladinu E1 a emituje foton s energií hv, kde 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, má různé směry a fáze a čas výskytu je také náhodný. Patří k nekoherentnímu a chaotickému světlu, což není světlo potřebné pro laser. Proto je nutné, aby proces generování laseru tento typ rozptýleného světla redukoval. To je také jeden z důvodů, proč vlnová délka různých laserů obsahuje rozptýlené světlo. Při správné kontrole lze podíl spontánní emise v laseru zanedbat. Čím je laser čistší, například 1060 nm, tím více je 1060 nm. Tento typ laseru má relativně stabilní absorpční rychlost a výkon.

Stimulovaná absorpce:

Elektrony na nízkých energetických hladinách (nízké orbitaly) po absorpci fotonů přecházejí na vyšší energetické hladiny (vysoké orbitaly) a tento proces se nazývá stimulovaná absorpce. Stimulovaná absorpce je klíčová a je jedním z klíčových čerpacích procesů. Čerpací zdroj laseru poskytuje energii fotonů, která způsobuje přechod částic v zesilovacím médiu a čekání na stimulované záření na vyšších energetických hladinách, čímž dochází k emitování laseru.

Stimulované záření:

Když je elektron ozářen světlem s vnější energií (hv=E2-E1), je elektron na vysoké energetické hladině excitován vnějším fotonem a přeskočí na nízkou energetickou hladinu (z vysoké orbity se přesune na nízkou orbitu). Zároveň vyzáří foton, který je přesně stejný jako vnější foton. Tento proces neabsorbuje původní excitační světlo, takže vzniknou dva identické fotony, což lze chápat tak, že elektron vyplivne dříve absorbovaný foton. Tento luminiscenční proces se nazývá stimulované záření a je opačným procesem stimulované absorpce.

Jakmile je teorie jasná, je velmi jednoduché sestrojit laser, jak je znázorněno na obrázku výše: za normálních podmínek stability materiálu je drtivá většina elektronů v základním stavu a laser je závislý na stimulovaném záření. Struktura laseru proto umožňuje nejprve stimulovanou absorpci, která přivede elektrony na vysokou energetickou hladinu, a poté poskytuje excitaci, která způsobí, že velké množství elektronů na vysoké energetické hladině podstoupí stimulované záření a uvolní fotony. Z toho lze generovat laser. Dále si představíme strukturu laseru.

Struktura laseru:

Postupně přiřaďte strukturu laseru k dříve zmíněným podmínkám generování laseru:

Podmínka výskytu a odpovídající struktura:

1. Jako pracovní médium laseru existuje zesilovací médium, které poskytuje zesilovací efekt a jeho aktivované částice mají strukturu energetických hladin vhodnou pro generování stimulovaného záření (hlavně schopné pumpovat elektrony na vysokoenergetické orbitaly a existovat tam po určitou dobu a poté uvolňovat fotony jedním dechem prostřednictvím stimulovaného záření);

2. Existuje externí budicí zdroj (čerpací zdroj), který může pumpovat elektrony z nižší úrovně do vyšší, což způsobuje inverzi počtu částic mezi horní a nižší úrovní laseru (tj. když je více vysokoenergetických částic než nízkoenergetických), jako je například xenonová lampa v YAG laserech;

3. Existuje rezonanční dutina, která může dosáhnout laserového kmitání, zvětšit pracovní délku laserového pracovního materiálu, stínit režim světelné vlny, řídit směr šíření paprsku, selektivně zesilovat stimulovanou frekvenci záření pro zlepšení monochromatičnosti (zajišťující, aby laser vydával určitou energii).

Odpovídající struktura je znázorněna na výše uvedeném obrázku, který představuje jednoduchou strukturu YAG laseru. Jiné struktury mohou být složitější, ale jádro je toto. Proces generování laseru je znázorněn na obrázku:

Klasifikace laserů: obecně klasifikována podle zesilovacího média nebo podle formy laserové energie

Klasifikace středního zisku:

Laser s oxidem uhličitýmZiskovým médiem laseru na bázi oxidu uhličitého je hélium aCO2 laser,s laserovou vlnovou délkou 10,6 μm, což je jeden z prvních laserových produktů, které byly uvedeny na trh. Rané laserové svařování bylo založeno hlavně na laseru s oxidem uhličitým, který se v současnosti používá hlavně ke svařování a řezání nekovových materiálů (tkanin, plastů, dřeva atd.). Kromě toho se používá také v litografických strojích. Laser s oxidem uhličitým nemůže být přenášen optickými vlákny a šíří se prostorovými optickými cestami. Nejstarší Tongkuai byl proveden relativně dobře a používalo se k němu mnoho řezacího zařízení;

YAG (yttrium-hlinito-granátový) laser: Jako laserové zesilovací médium se používají krystaly YAG dopované kovovými ionty neodymu (Nd) nebo yttria (Yb) s emisní vlnovou délkou 1,06 μm. YAG laser může produkovat vyšší pulzy, ale průměrný výkon je nízký a špičkový výkon může dosáhnout 15násobku průměrného výkonu. Pokud se jedná převážně o pulzní laser, nelze dosáhnout nepřetržitého výstupu; lze jej však přenášet optickými vlákny a zároveň se zvyšuje absorpční rychlost kovových materiálů a začíná se používat ve vysoce odrazivých materiálech, nejprve v oblasti 3C;

Vláknový laser: Současný mainstream na trhu používá jako zesilovací médium vlákno dopované yterbiem s vlnovou délkou 1060 nm. Podle tvaru média se dále dělí na vláknové a diskové lasery; optické vlákno představuje IPG, zatímco diskové lasery představují Tongkuai.

Polovodičový laser: Ziskovým médiem je polovodičový PN přechod a vlnová délka polovodičového laseru je převážně 976 nm. V současné době se polovodičové lasery v blízké infračervené oblasti používají hlavně pro opláštění se světelnými skvrnami nad 600 μm. Laserline je reprezentativní podnik polovodičových laserů.

Klasifikace podle formy působení energie: Pulzní laser (PULSE), kvazikontinuální laser (QCW), kontinuální laser (CW)

Pulzní laser: nanosekundový, pikosekundový, femtosekundový. Tento vysokofrekvenční pulzní laser (ns, šířka pulzu) dokáže často dosáhnout vysoké špičkové energie a vysokofrekvenčního (MHZ) zpracování. Používá se pro zpracování tenkých různorodých materiálů mědi a hliníku, ale také převážně k čištění. Díky vysoké špičkové energii dokáže rychle roztavit základní materiál s krátkou dobou působení a malou tepelně ovlivněnou zónou. Má výhody při zpracování ultratenkých materiálů (pod 0,5 mm).

Kvazikontinuální laser (QCW): Vzhledem k 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 kilowattové úrovni a pulzním laserem s Q-spínaním; Špičkový výkon kvazi-kontinuálního vláknového laseru může dosáhnout 10násobku průměrného výkonu v kontinuálním režimu. QCW lasery mají obecně dva režimy, jeden je kontinuální svařování s nízkým výkonem a druhý je pulzní laserové svařování se špičkovým výkonem 10násobku průměrného výkonu, které umožňuje dosáhnout silnějších materiálů a většího svařování tepla a zároveň regulovat teplo ve velmi malém rozsahu;

Kontinuální laser (CW): Toto je nejběžněji používaný typ a většina laserů na trhu jsou CW lasery, které kontinuálně vydávají laserový paprsek pro svařování. Vláknové lasery se dělí na jednomódové a vícemódové lasery podle různých průměrů jádra a vlastností paprsku a lze je přizpůsobit různým aplikačním scénářům.