Принцип лазерної генерації

Чому нам потрібно знати принцип дії лазерів?

Знання відмінностей між поширеними напівпровідниковими лазерами, волоконними, дисковими таYAG-лазертакож може допомогти краще зрозуміти та взяти участь у більшій кількості обговорень під час процесу відбору.

Стаття в основному зосереджена на популярній науці: короткий вступ до принципу генерації лазера, основної структури лазерів та кількох поширених типів лазерів.

По-перше, принцип лазерної генерації

Лазер генерується внаслідок взаємодії між світлом і речовиною, відомої як посилення вимушеного випромінювання; Розуміння посилення вимушеного випромінювання вимагає розуміння концепцій Ейнштейна про спонтанне випромінювання, вимушене поглинання та вимушене випромінювання, а також деяких необхідних теоретичних основ.

Теоретична основа 1: Модель Бора

Модель Бора головним чином пояснює внутрішню структуру атомів, що полегшує розуміння виникнення лазерів. Атом складається з ядра та електронів поза ядром, а орбіталі електронів не є довільними. Електрони мають лише певні орбіталі, серед яких найвнутрішня орбіталь називається основним станом; якщо електрон знаходиться в основному стані, його енергія найнижча. Якщо електрон вистрибує з орбіти, він називається першим збудженим станом, і енергія першого збудженого стану буде вищою, ніж енергія основного стану; інша орбіта називається другим збудженим станом;

Причина виникнення лазерного випромінювання полягає в тому, що в цій моделі електрони рухатимуться по різних орбітах. Якщо електрони поглинають енергію, вони можуть переходити з основного стану у збуджений; якщо електрон повертається зі збудженого стану в основний, він вивільняє енергію, яка часто вивільняється у вигляді лазера.

Теоретична основа 2: Теорія вимушеного випромінювання Ейнштейна

У 1917 році Ейнштейн запропонував теорію вимушеного випромінювання, яка є теоретичною основою лазерів та лазерного виробництва: поглинання або випромінювання речовини є по суті результатом взаємодії між полем випромінювання та частинками, що складають речовину, а її основна сутність полягає в переході частинок між різними енергетичними рівнями. У взаємодії світла та речовини існують три різні процеси: спонтанне випромінювання, вимушене випромінювання та вимушене поглинання. Для системи, що містить велику кількість частинок, ці три процеси завжди співіснують і тісно пов'язані.

Спонтанне випромінювання:

Як показано на рисунку: електрон на високоенергетичному рівні E2 спонтанно переходить на низькоенергетичний рівень E1 та випромінює фотон з енергією hv, причому hv=E2-E1; Цей спонтанний та не пов'язаний між собою процес переходу називається спонтанним переходом, а світлові хвилі, що випромінюються спонтанними переходами, називаються спонтанним випромінюванням.

Характеристики спонтанного випромінювання: кожен фотон є незалежним, має різні напрямки та фази, а час виникнення також випадковий. Це некогерентне та хаотичне світло, яке не є світлом, необхідним для лазера. Тому процес генерації лазера повинен зменшувати цей тип розсіяного світла. Це також одна з причин, чому довжина хвилі різних лазерів має розсіяне світло. За умови належного контролю, частку спонтанного випромінювання в лазері можна знехтувати. Чим чистіший лазер, наприклад, 1060 нм, тим більше 1060 нм. Цей тип лазера має відносно стабільну швидкість поглинання та потужність.

Стимульоване поглинання:

Електрони на низьких енергетичних рівнях (низьких орбіталях) після поглинання фотонів переходять на вищі енергетичні рівні (високі орбіталі), і цей процес називається стимульованим поглинанням. Стимульоване поглинання є вирішальним і одним з ключових процесів накачування. Джерело накачування лазера забезпечує енергію фотонів, щоб частинки в середовищі підсилення переходили в режим очікування стимульованого випромінювання на вищих енергетичних рівнях, випромінюючи лазер.

Вимушене випромінювання:

Під впливом зовнішнього світла (hv=E2-E1) електрон на високому енергетичному рівні збуджується зовнішнім фотоном і переходить на низький енергетичний рівень (висока орбіта переходить на нижчу). Одночасно він випромінює фотон, який є точно таким самим, як зовнішній фотон. Цей процес не поглинає початкове збуджувальне світло, тому утворюються два однакових фотони, що можна зрозуміти як виверження електроном раніше поглиненого фотона. Цей процес люмінесценції називається вимушеним випромінюванням, яке є зворотним процесом вимушеного поглинання.

Після того, як теорія зрозуміла, побудувати лазер дуже просто, як показано на рисунку вище: за нормальних умов стабільності матеріалу переважна більшість електронів знаходиться в основному стані, а лазер залежить від вимушеного випромінювання. Тому структура лазера полягає в тому, щоб спочатку відбувалося вимушене поглинання, виводячи електрони на високий енергетичний рівень, а потім забезпечуючи збудження, яке викликає вимушене випромінювання великої кількості електронів високого енергетичного рівня, що вивільняють фотони. З цього можна генерувати лазер. Далі ми розглянемо структуру лазера.

Структура лазера:

Зіставте структуру лазера з умовами генерації лазера, згаданими раніше, по черзі:

Умова виникнення та відповідна структура:

1. Робочим середовищем лазера є середовище підсилення, яке забезпечує ефект посилення, а його активовані частинки мають структуру енергетичних рівнів, придатну для генерації стимульованого випромінювання (головним чином здатні перекачувати електрони на високоенергетичні орбіталі та існувати протягом певного періоду часу, а потім вивільняти фотони за допомогою стимульованого випромінювання);

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

3. Існує резонансний резонатор, який може досягати лазерних коливань, збільшувати робочу довжину лазерного робочого матеріалу, екранувати світлову хвильову моду, контролювати напрямок поширення променя, вибірково підсилювати частоту стимульованого випромінювання для покращення монохроматичності (забезпечуючи виведення лазера з певною енергією).

Відповідна структура показана на рисунку вище, який є простою структурою YAG-лазера. Інші структури можуть бути складнішими, але суть полягає в наступному. Процес генерації лазера показано на рисунку:

Класифікація лазерів: зазвичай класифікується за середовищем підсилення або за формою лазерної енергії

Класифікація середнього посилення:

Лазер на вуглекислому газіПідсилювальним середовищем вуглекислотного лазера є гелій таCO2-лазер,з довжиною хвилі лазера 10,6 мкм, що є одним із найперших лазерних продуктів, що були випущені на ринок. Раннє лазерне зварювання в основному базувалося на вуглекислотному лазері, який наразі використовується переважно для зварювання та різання неметалевих матеріалів (тканин, пластмас, дерева тощо). Крім того, він також використовується на літографічних машинах. Вуглекислий лазер не може передаватися через оптичні волокна та поширюється просторовими оптичними шляхами. Найперший Tongkuai був виконаний відносно добре, і використовувалося багато ріжучого обладнання;

YAG (ітрій-алюмінієвий гранатовий) лазер: як середовище для підсилення лазера використовуються кристали YAG, леговані іонами металу неодиму (Nd) або ітрію (Yb), з довжиною хвилі випромінювання 1,06 мкм. YAG-лазер може видавати вищі імпульси, але середня потужність низька, а пікова потужність може досягати 15-кратного перевищення середньої потужності. Якщо це переважно імпульсний лазер, безперервної вихідної потужності досягти неможливо; проте його можна передавати через оптичні волокна, водночас збільшуючи коефіцієнт поглинання металевих матеріалів, і він починає застосовуватися в матеріалах з високою відбивною здатністю, вперше застосовуючись у полі 3C;

Волоконний лазер: На сучасному ринку основним напрямком є ​​використання легованого ітербієм волокна як підсилювального середовища з довжиною хвилі 1060 нм. За формою середовища вони також поділяються на волоконні та дискові лазери; волоконно-оптичні лазери відповідають за IPG, а дискові лазери - за Tongkuai.

Напівпровідниковий лазер: середовищем підсилення є напівпровідниковий PN-перехід, а довжина хвилі напівпровідникового лазера переважно становить 976 нм. Наразі напівпровідникові лазери ближнього інфрачервоного діапазону в основному використовуються для облицювання, зі світловими плямами понад 600 мкм. Laserline є представницьким підприємством напівпровідникових лазерів.

Класифікація за видом дії енергії: 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 та високочастотної (МГц) обробки, використовується для обробки тонких різнорідних матеріалів міді та алюмінію, а також переважно для очищення. Використовуючи високу пікову енергію, він може швидко розплавити основний матеріал, з малим часом обробки та малою зоною теплового впливу. Він має переваги в обробці надтонких матеріалів (менше 0,5 мм);

Квазібезперервний лазер (QCW): завдяки високій частоті повторення та низькому робочому циклу (менше 50%), ширина імпульсуЛазер QCWдосягає 50 мкс-50 мс, заповнюючи прогалину між кіловатним безперервним волоконним лазером та імпульсним лазером з модуляцією добротності; Пікова потужність квазібезперервного волоконного лазера може досягати 10 разів більшої середньої потужності в безперервному режимі роботи. Лазери QCW зазвичай мають два режими: один - безперервне зварювання з низькою потужністю, а інший - імпульсне лазерне зварювання з піковою потужністю в 10 разів більшою за середню потужність, що дозволяє досягати більш товстих матеріалів та більшого нагріву зварювання, одночасно контролюючи нагрів у дуже вузькому діапазоні;

Безперервний лазер (CW): це найпоширеніший тип, і більшість лазерів, представлених на ринку, є CW-лазерами, які безперервно випромінюють лазерний випромінювач для зварювальних робіт. Волоконні лазери поділяються на одномодові та багатомодові лазери залежно від різних діаметрів осердя та якостей променя, і можуть бути адаптовані до різних сценаріїв застосування.