De ce trebuie să cunoaștem principiul laserelor?
Cunoașterea diferențelor dintre laserele semiconductoare comune, fibrele, discurile șiLaser YAGpoate ajuta, de asemenea, la o mai bună înțelegere și la implicarea în mai multe discuții în timpul procesului de selecție.
Articolul se concentrează în principal pe știința populară: o scurtă introducere în principiul generării laserului, structura principală a laserelor și câteva tipuri comune de lasere.
În primul rând, principiul generării laserului
Laserul este generat prin interacțiunea dintre lumină și materie, cunoscută sub numele de amplificare a radiațiilor stimulate; Înțelegerea amplificării radiațiilor stimulate necesită înțelegerea conceptelor lui Einstein de emisie spontană, absorbție stimulată și radiație stimulată, precum și unele fundamente teoretice necesare.
Baza teoretică 1: Modelul Bohr
Modelul Bohr oferă în principal structura internă a atomilor, făcând ușor de înțeles cum apar laserele. Un atom este compus dintr-un nucleu și electroni în afara nucleului, iar orbitalii electronilor nu sunt arbitrari. Electronii au doar anumiți orbitali, printre care cel mai interior orbital se numește stare fundamentală; Dacă un electron se află în starea fundamentală, energia lui este cea mai scăzută. Dacă un electron sare din orbită, se numește prima stare excitată, iar energia primei stări excitate va fi mai mare decât cea a stării fundamentale; O altă orbită se numește a doua stare excitată;
Motivul pentru care poate apărea laserul este că electronii se vor mișca pe orbite diferite în acest model. Dacă electronii absorb energie, ei pot rula de la starea fundamentală la starea excitată; Dacă un electron revine din starea excitată în starea fundamentală, va elibera energie, care este adesea eliberată sub forma unui laser.
Baza teoretică 2: Teoria radiațiilor stimulate a lui Einstein
În 1917, Einstein a propus teoria radiației stimulate, care este baza teoretică pentru lasere și producerea laserului: absorbția sau emisia de materie este în esență rezultatul interacțiunii dintre câmpul de radiație și particulele care alcătuiesc materia și miezul acesteia. esența este tranziția particulelor între diferite niveluri de energie. Există trei procese diferite în interacțiunea dintre lumină și materie: emisie spontană, emisie stimulată și absorbție stimulată. Pentru un sistem care conține un număr mare de particule, aceste trei procese coexistă întotdeauna și sunt strâns legate.
Emisia spontana:
După cum se arată în figură: un electron de la nivelul de energie înaltă E2 trece spontan la nivelul de energie scăzută E1 și emite un foton cu o energie de hv și hv=E2-E1; Acest proces de tranziție spontan și fără legătură se numește tranziție spontană, iar undele luminoase emise de tranzițiile spontane se numesc radiații spontane.
Caracteristicile emisiei spontane: Fiecare foton este independent, cu direcții și faze diferite, iar timpul de apariție este, de asemenea, aleatoriu. Ea aparține luminii incoerente și haotice, care nu este lumina cerută de laser. Prin urmare, procesul de generare a laserului trebuie să reducă acest tip de lumină parazită. Acesta este, de asemenea, unul dintre motivele pentru care lungimea de undă a diferitelor lasere are lumină parazită. Dacă este bine controlată, proporția de emisie spontană în laser poate fi ignorată. Cu cât laserul este mai pur, cum ar fi 1060 nm, este tot 1060 nm, acest tip de laser are o rată de absorbție și o putere relativ stabilă.
Absorbție stimulată:
Electronii la niveluri de energie scăzute (orbitali scăzuti), după absorbția fotonilor, trec la niveluri de energie mai înalte (orbitali înalți), iar acest proces se numește absorbție stimulată. Absorbția stimulată este crucială și unul dintre procesele cheie de pompare. Sursa de pompă a laserului furnizează energie fotonică pentru a face ca particulele din mediul de câștig să treacă și să aștepte radiația stimulată la niveluri mai mari de energie, emitând laserul.
Radiații stimulate:
Când este iradiat de lumina de energie externă (hv=E2-E1), electronul de la nivelul de energie înalt este excitat de fotonul extern și sare la nivelul de energie scăzut (orbita înaltă merge pe orbita joasă). În același timp, emite un foton care este exact același cu fotonul extern. Acest proces nu absoarbe lumina de excitație originală, așa că vor exista doi fotoni identici, care pot fi înțeleși ca electronul scuipă fotonul absorbit anterior. Acest proces de luminescență se numește radiație stimulată, care este procesul invers al absorbției stimulate.
După ce teoria este clară, este foarte simplu să construiți un laser, așa cum se arată în figura de mai sus: în condiții normale de stabilitate materială, marea majoritate a electronilor sunt în starea fundamentală, electronii în starea fundamentală, iar laserul depinde de radiatii stimulate. Prin urmare, structura laserului trebuie să permită absorbția stimulată să aibă loc mai întâi, aducând electronii la un nivel ridicat de energie și apoi furnizând o excitare pentru a determina un număr mare de electroni de nivel înalt de energie să sufere radiații stimulate, eliberând fotoni, Din aceasta, laserul poate fi generat. În continuare, vom introduce structura laser.
Structura laser:
Potriviți structura laserului cu condițiile de generare a laserului menționate mai devreme una câte una:
Condiția de apariție și structura corespunzătoare:
1. Există un mediu de câștig care oferă efect de amplificare ca mediu de lucru cu laser, iar particulele sale activate au o structură de nivel de energie potrivită pentru generarea de radiații stimulate (în principal capabile să pompeze electroni la orbitalii de înaltă energie și să existe pentru o anumită perioadă de timp , și apoi eliberează fotoni într-o singură respirație prin radiații stimulate);
2. Există o sursă de excitație externă (sursă de pompă) care poate pompa electroni de la nivelul inferior la nivelul superior, provocând inversarea numărului de particule între nivelurile superioare și inferioare ale laserului (adică, atunci când există mai multe particule cu energie înaltă decât particule cu energie scăzută), cum ar fi lampa cu xenon din laserele YAG;
3. Există o cavitate rezonantă care poate realiza oscilația laser, crește lungimea de lucru a materialului de lucru cu laser, ecranează modul undei luminoase, controlează direcția de propagare a fasciculului, amplifica selectiv frecvența radiației stimulate pentru a îmbunătăți monocromaticitatea (asigurându-se că laserul este scos la o anumită energie).
Structura corespunzătoare este prezentată în figura de mai sus, care este o structură simplă a unui laser YAG. Alte structuri pot fi mai complexe, dar miezul este acesta. Procesul de generare a laserului este prezentat în figură:
Clasificare laser: clasificat în general după mediu de câștig sau după forma energiei laser
Obțineți o clasificare medie:
Laser cu dioxid de carbon: Mediul de câștig al laserului cu dioxid de carbon este heliul șilaser CO2,cu o lungime de undă laser de 10,6 um, care este unul dintre cele mai vechi produse laser lansate. Sudarea cu laser timpurie s-a bazat în principal pe laser cu dioxid de carbon, care în prezent este utilizat în principal pentru sudarea și tăierea materialelor nemetalice (țesături, materiale plastice, lemn etc.). În plus, este folosit și pe mașinile de litografie. Laserul cu dioxid de carbon nu poate fi transmis prin fibre optice și călătorește prin căi optice spațiale. Cel mai vechi Tongkuai a fost realizat relativ bine și a fost folosit o mulțime de echipamente de tăiere;
Laser YAG (ytriu aluminiu granat): cristale YAG dopate cu ioni metalici de neodim (Nd) sau ytriu (Yb) sunt folosite ca mediu de câștig laser, cu o lungime de undă de emisie de 1,06um. Laserul YAG poate emite impulsuri mai mari, dar puterea medie este scăzută, iar puterea de vârf poate atinge de 15 ori puterea medie. Dacă este în principal un laser cu impulsuri, ieșirea continuă nu poate fi realizată; Dar poate fi transmis prin fibre optice și, în același timp, crește viteza de absorbție a materialelor metalice și începe să fie aplicat în materiale cu reflectivitate ridicată, aplicate mai întâi în câmpul 3C;
Laser cu fibră: curentul curent de pe piață folosește fibre dopate cu itterbiu ca mediu de câștig, cu o lungime de undă de 1060 nm. Este împărțit în continuare în lasere cu fibre și disc, în funcție de forma mediului; Fibra optică reprezintă IPG, în timp ce discul reprezintă Tongkuai.
Laser semiconductor: Mediul de câștig este o joncțiune PN semiconductor, iar lungimea de undă a laserului semiconductor este în principal la 976 nm. În prezent, laserele semiconductoare cu infraroșu apropiat sunt utilizate în principal pentru placare, cu puncte de lumină peste 600um. Laserline este o întreprindere reprezentativă a laserelor semiconductoare.
Clasificat după forma de acțiune a energiei: laser cu impuls (PULSE), laser cvasi-continuu (QCW), laser continuu (CW)
Laser cu impuls: nanosecundă, picosecundă, femtosecundă, acest laser cu impuls de înaltă frecvență (ns, lățimea impulsului) poate obține adesea energie de vârf ridicată, procesare de înaltă frecvență (MHZ), utilizat pentru prelucrarea materialelor subțiri diferite de cupru și aluminiu, precum și pentru curățarea în mare parte . Prin utilizarea energiei de vârf ridicate, poate topi rapid materialul de bază, cu timp de acțiune redus și zonă mică afectată de căldură. Are avantaje in prelucrarea materialelor ultra-subtiri (sub 0,5mm);
Laser cvasi-continuu (QCW): Datorită ratei mari de repetare și ciclului de lucru scăzut (sub 50%), lățimea impulsului deLaser QCWatinge 50 us-50 ms, umplând decalajul dintre laserul cu fibră continuă la nivel de kilowați și laserul cu impuls Q-switched; Puterea de vârf a unui laser cu fibră cvasi-continuu poate atinge de 10 ori puterea medie în modul de funcționare continuu. Laserele QCW au, în general, două moduri, unul este sudarea continuă la putere scăzută, iar celălalt este sudarea laser în impulsuri cu o putere de vârf de 10 ori puterea medie, ceea ce poate obține materiale mai groase și mai multă sudură la căldură, controlând în același timp căldura într-un gamă foarte mică;
Laser continuu (CW): Acesta este cel mai des folosit și majoritatea laserelor văzute pe piață sunt lasere CW care scot continuu laser pentru procesarea de sudare. Laserele cu fibră sunt împărțite în lasere monomodale și multimodale în funcție de diferite diametre ale miezului și calități ale fasciculului și pot fi adaptate la diferite scenarii de aplicare.
Ora postării: 20-dec-2023
