Принцип генерації лазера

Навіщо нам знати принцип дії лазерів?

Знання відмінностей між звичайними напівпровідниковими лазерами, волокнами, дисками тощоYAG лазертакож може допомогти отримати краще розуміння та залучити більше дискусій під час процесу відбору.

Стаття в основному зосереджена на науково-популярній темі: короткий вступ до принципу генерації лазерів, основна структура лазерів і кілька поширених типів лазерів.

По-перше, принцип генерації лазера

Лазер генерується через взаємодію між світлом і речовиною, відому як стимульоване посилення випромінювання; Розуміння стимульованого підсилення випромінювання вимагає розуміння концепцій Ейнштейна спонтанного випромінювання, стимульованого поглинання та стимульованого випромінювання, а також деяких необхідних теоретичних основ.

Теоретична основа 1: Модель Бора

Модель Бора в основному надає внутрішню структуру атомів, що дозволяє легко зрозуміти, як виникають лазери. Атом складається з ядра та електронів поза ядром, і орбіталі електронів не є довільними. Електрони мають лише певні орбіталі, серед яких внутрішня орбіталь називається основним станом; Якщо електрон знаходиться в основному стані, то його енергія найменша. Якщо електрон зістрибує з орбіти, це називається першим збудженим станом, і енергія першого збудженого стану буде вищою, ніж енергія основного стану; Інша орбіта називається другим збудженим станом;

Причина, чому може виникнути лазер, полягає в тому, що електрони рухатимуться різними орбітами в цій моделі. Якщо електрони поглинають енергію, вони можуть переходити з основного стану в збуджений; Якщо електрон повертається зі збудженого стану в основний, він виділяє енергію, яка часто виділяється у вигляді лазера.

Теоретична основа 2: Теорія стимульованого випромінювання Ейнштейна

У 1917 році Ейнштейн запропонував теорію стимульованого випромінювання, яка є теоретичною основою для лазерів і лазерного виробництва: поглинання або випромінювання матерії є, по суті, результатом взаємодії між полем випромінювання та частинками, що утворюють речовину, і її ядром Суть полягає в переході частинок між різними енергетичними рівнями. Існує три різні процеси у взаємодії між світлом і речовиною: спонтанне випромінювання, вимушене випромінювання та вимушене поглинання. Для системи, що містить велику кількість частинок, ці три процеси завжди співіснують і тісно пов’язані між собою.

Спонтанне випромінювання:

Як показано на малюнку: електрон на високоенергетичному рівні E2 спонтанно переходить на низькоенергетичний рівень E1 і випускає фотон з енергією hv, причому hv=E2-E1; Цей спонтанний і непов’язаний процес переходу називається спонтанним переходом, а світлові хвилі, випромінювані спонтанними переходами, називаються спонтанним випромінюванням.

Характеристики спонтанного випромінювання: кожен фотон є незалежним, має різні напрямки та фази, а час виникнення також є випадковим. Він відноситься до некогерентного і хаотичного світла, яке не є світлом, необхідним для лазера. Таким чином, процес генерації лазера повинен зменшити цей тип розсіяного світла. Це також одна з причин, чому довжина хвилі різних лазерів має розсіяне світло. Якщо добре контролювати, часткою спонтанного випромінювання в лазері можна знехтувати. Чим чистіший лазер, наприклад 1060 нм, він весь 1060 нм. Цей тип лазера має відносно стабільну швидкість поглинання та потужність.

Стимульоване всмоктування:

Електрони на низьких енергетичних рівнях (низькі орбіталі) після поглинання фотонів переходять на більш високі енергетичні рівні (високі орбіталі), і цей процес називається вимушеним поглинанням. Стимульоване поглинання є вирішальним і одним із ключових процесів перекачування. Джерело накачування лазера забезпечує енергію фотонів, щоб змусити частинки в середовищі підсилення переходити та чекати стимульованого випромінювання на вищих рівнях енергії, випромінюючи лазер.

Стимульоване випромінювання:

При опроміненні світлом зовнішньої енергії (hv=E2-E1) електрон на високому енергетичному рівні збуджується зовнішнім фотоном і переходить на низький енергетичний рівень (висока орбіта біжить на низьку). У той же час він випромінює фотон, який точно такий же, як і зовнішній фотон. Цей процес не поглинає вихідне світло збудження, тому буде два ідентичних фотона, що можна зрозуміти як електрон викидає раніше поглинений фотон. Цей процес люмінесценції називається стимульованим випромінюванням, що є процесом, зворотним стимульованому поглинанню.

Коли теорія зрозуміла, побудувати лазер дуже просто, як показано на малюнку вище: за нормальних умов стабільності матеріалу переважна більшість електронів перебуває в основному стані, електрони в основному стані, а лазер залежить від стимульоване випромінювання. Таким чином, структура лазера дозволяє спочатку відбутися стимульоване поглинання, переводячи електрони на високий енергетичний рівень, а потім забезпечуючи збудження, щоб викликати стимульоване випромінювання великої кількості електронів високого енергетичного рівня, вивільняючи фотони. може бути створений лазер. Далі ми представимо структуру лазера.

Структура лазера:

Зіставте структуру лазера з умовами генерації лазера, згаданими раніше:

Умови виникнення та відповідна структура:

1. Робочим середовищем лазера є середовище підсилення, яке забезпечує ефект посилення, а його активовані частинки мають структуру рівня енергії, придатну для генерації стимульованого випромінювання (в основному здатні накачувати електрони на високоенергетичні орбіталі та існувати протягом певного періоду часу). , а потім випустити фотони на одному диханні через стимульоване випромінювання);

2. Існує зовнішнє джерело збудження (джерело накачування), яке може перекачувати електрони з нижнього рівня на верхній, викликаючи інверсію числа частинок між верхнім і нижнім рівнями лазера (тобто, коли частинок з високою енергією більше, ніж частинки низької енергії), такі як ксенонова лампа в YAG-лазерах;

3. Існує резонансна порожнина, яка може досягати лазерних коливань, збільшувати робочу довжину робочого матеріалу лазера, екранувати режим світлової хвилі, контролювати напрямок поширення променя, вибірково посилювати частоту стимульованого випромінювання для покращення монохроматичності (забезпечуючи, що лазер випромінюється з певною енергією).

Відповідна структура показана на малюнку вище, який є простою структурою YAG-лазера. Інші структури можуть бути складнішими, але суть така. Процес генерації лазера показаний на малюнку:

Класифікація лазера: зазвичай класифікується за середовищем підсилення або формою енергії лазера

Середня класифікація:

Вуглекислотний лазер: Середовищем посилення вуглекислотного лазера є гелій іCO2 лазер,з довжиною хвилі лазера 10,6 мкм, який є одним із найперших лазерних продуктів, які були випущені. Перше лазерне зварювання в основному базувалося на лазері на вуглекислому газі, який в даний час використовується в основному для зварювання та різання неметалевих матеріалів (тканини, пластмаси, деревини тощо). Крім того, він також використовується на літографічних машинах. Лазер на вуглекислому газі не може передаватися через оптичні волокна та рухається через просторові оптичні шляхи. Найперший Tongkuai був зроблений відносно добре, і використовувалося багато ріжучого обладнання;

Лазер YAG (ітрій-алюмінієвий гранат): кристали YAG, леговані металевими іонами неодиму (Nd) або ітрію (Yb), використовуються як середовище підсилення лазера з довжиною хвилі випромінювання 1,06 мкм. YAG-лазер може видавати більші імпульси, але середня потужність низька, а пікова потужність може досягати 15-кратної середньої потужності. Якщо це в основному імпульсний лазер, безперервний вихід не може бути досягнутий; Але він може передаватися через оптичні волокна, і в той же час швидкість поглинання металевих матеріалів збільшується, і він починає застосовуватися в матеріалах з високою відбивною здатністю, вперше застосованих у полі 3C;

Волоконний лазер: сучасний ринок використовує волокно, леговане ітербієм, як середовище посилення з довжиною хвилі 1060 нм. Далі він поділяється на волоконний і дисковий лазери на основі форми середовища; Оптоволокно представляє IPG, тоді як диск представляє Tongkuai.

Напівпровідниковий лазер: середовищем підсилення є напівпровідниковий PN-перехід, а довжина хвилі напівпровідникового лазера становить переважно 976 нм. В даний час напівпровідникові лазери ближнього інфрачервоного діапазону в основному використовуються для покриття, зі світловими плямами понад 600 мкм. Laserline є представником підприємства напівпровідникових лазерів.

Класифікація за формою енергетичної дії: імпульсний лазер (PULSE), квазібезперервний лазер (QCW), безперервний лазер (CW)

Імпульсний лазер: наносекундний, пікосекундний, фемтосекундний, цей високочастотний імпульсний лазер (нс, ширина імпульсу) часто може досягати високої пікової енергії, високочастотної (MHZ) обробки, використовується для обробки тонких мідних та алюмінієвих різнорідних матеріалів, а також для очищення переважно . Використовуючи високу пікову енергію, він може швидко розплавити основний матеріал з малим часом дії та невеликою зоною теплового впливу. Він має переваги в обробці ультратонких матеріалів (нижче 0,5 мм);

Квазібезперервний лазер (QCW): Завдяки високій частоті повторення та низькому робочому циклу (нижче 50%) ширина імпульсуQCW лазердосягає 50 мкс-50 мс, заповнюючи проміжок між безперервним волоконним лазером кіловатного рівня та імпульсним лазером із модуляцією добротності; Пікова потужність квазібезперервного волоконного лазера може в 10 разів перевищувати середню потужність у безперервному режимі роботи. Лазери QCW зазвичай мають два режими: один — це безперервне зварювання при низькій потужності, а інший — імпульсне лазерне зварювання з піковою потужністю, що в 10 разів перевищує середню потужність, що дозволяє досягти більш товстих матеріалів і зварювання з більшим нагріванням, а також контролювати тепло в межах дуже малий діапазон;

Лазер безперервної дії (CW): це найчастіше використовуваний лазер, і більшість лазерів, які можна побачити на ринку, є лазерами безперервної дії, які безперервно видають лазер для зварювання. Волоконні лазери поділяються на одномодові та багатомодові відповідно до різних діаметрів серцевини та якості променя, і їх можна адаптувати до різних сценаріїв застосування.