Principiul generării laserului

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 laserelor, 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 radiației stimulate; Înțelegerea amplificării radiației stimulate necesită înțelegerea conceptelor lui Einstein despre emisie spontană, absorbție stimulată și radiație stimulată, precum și a unor fundamente teoretice necesare.

Baza teoretică 1: Modelul Bohr

Modelul Bohr oferă în principal structura internă a atomilor, facilitând înțelegerea modului în care 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, dintre care orbitalul cel mai interior se numește starea fundamentală; Dacă un electron se află în starea fundamentală, energia sa este cea mai mică. Dacă un electron iese de pe o orbită, aceasta 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 acela că electronii se vor mișca pe orbite diferite în acest model. Dacă electronii absorb energie, aceștia pot trece de la starea fundamentală la starea excitată; dacă un electron se întoarce de la starea excitată la starea fundamentală, va elibera energie, care este adesea eliberată sub forma unui laser.

Baza teoretică 2: Teoria radiației stimulate a lui Einstein

În 1917, Einstein a propus teoria radiației stimulate, care reprezintă baza teoretică a laserelor și a producției de lasere: absorbția sau emisia materiei este în esență rezultatul interacțiunii dintre câmpul de radiație și particulele care alcătuiesc materia, iar esența sa centrală este tranziția particulelor între diferite niveluri de energie. Există trei procese diferite în interacțiunea dintre lumină și materie: emisia spontană, emisia stimulată și absorbția stimulată. Pentru un sistem care conține un număr mare de particule, aceste trei procese coexistă întotdeauna și sunt strâns legate.

Emisie spontană:

După cum se arată în figură: un electron de pe nivelul de energie înaltă E2 trece spontan la nivelul de energie joasă E1 și emite un foton cu o energie de hv, iar hv = E2 - E1; Acest proces de tranziție spontan și fără legătură se numește tranziție spontană, iar undele luminoase emise de tranzițiile spontane se numesc radiație spontană.

Caracteristicile emisiei spontane: Fiecare foton este independent, cu direcții și faze diferite, iar timpul de apariție este, de asemenea, aleatoriu. Acesta aparține luminii incoerente și haotice, care nu este lumina necesară laserului. 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 conține lumină parazită. Dacă este bine controlată, proporția de emisie spontană din laser poate fi ignorată. Cu cât laserul este mai pur, cum ar fi 1060 nm, cu atât este mai pur la 1060 nm. Acest tip de laser are o rată de absorbție și o putere relativ stabile.

Absorbție stimulată:

Electronii aflați la niveluri de energie scăzute (orbitali joase), după absorbția fotonilor, trec la niveluri de energie superioare (orbitali înalți), iar acest proces se numește absorbție stimulată. Absorbția stimulată este crucială și unul dintre procesele cheie de pompare. Sursa de pompare a laserului furnizează energie fotonică pentru a determina particulele din mediul de amplificare să treacă și să aștepte radiația stimulată la niveluri de energie superioare, emițând laserul.

Radiații stimulate:

Când este iradiat de lumina energiei externe (hv=E2-E1), electronul aflat la nivelul de energie ridicată este excitat de fotonul extern și sare la nivelul de energie scăzută (orbita înaltă merge spre orbita joasă). În același timp, emite un foton care este exact același cu fotonul extern. Acest proces nu absoarbe lumina de excitație inițială, deci vor exista doi fotoni identici, ceea ce poate fi înțeles ca electronul care emite fotonul absorbit anterior. Acest proces de luminescență se numește radiație stimulată și este procesul invers absorbției stimulate.

După ce teoria este clarificată, este foarte simplu să construim un laser, așa cum se arată în figura de mai sus: în condiții normale de stabilitate a materialului, marea majoritate a electronilor se află în starea fundamentală, electronii fiind în starea fundamentală, iar laserul depinde de radiația stimulată. Prin urmare, structura laserului este de a permite mai întâi absorbția stimulată, aducând electronii la un nivel de energie ridicat, și apoi oferind o excitație care să provoace un număr mare de electroni de nivel de energie ridicat să fie supuși radiației stimulate, eliberând fotoni. Din aceasta, se poate genera laserul. În continuare, vom introduce structura laserului.

Structura laserului:

Asociați structura laserului cu condițiile de generare a laserului menționate anterior, una câte una:

Condiția de apariție și structura corespunzătoare:

1. Există un mediu de amplificare care oferă un efect de amplificare ca mediu de lucru laser, iar particulele sale activate au o structură a nivelului de energie potrivită pentru generarea de radiații stimulate (capabile în principal să pompeze electroni către orbitali de înaltă energie și să existe pentru o anumită perioadă de timp, apoi să elibereze fotoni într-o singură respirație prin radiație stimulată);

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 superior și inferior ale laserului (adică, atunci când există mai multe particule de energie înaltă decât particule de energie scăzută), cum ar fi lampa cu xenon din laserele YAG;

3. Există o cavitate rezonantă care poate realiza oscilația laserului, poate crește lungimea de lucru a materialului de lucru cu laser, poate ecrana modul de undă luminoasă, poate controla direcția de propagare a fasciculului, poate amplifica selectiv frecvența radiației stimulate pentru a îmbunătăți monocromaticitatea (asigurându-se că laserul este emis la o anumită energie).

Structura corespunzătoare este prezentată în figura de mai sus, care reprezintă o structură simplă a unui laser YAG. Alte structuri pot fi mai complexe, dar nucleul este acesta. Procesul de generare a laserului este prezentat în figură:

Clasificarea laserelor: în general clasificate după mediul de amplificare sau după forma energiei laserului

Clasificarea mediului de câștig:

Laser cu dioxid de carbonMediul de amplificare al laserului cu dioxid de carbon este heliul șilaser CO2,cu o lungime de undă laser de 10,6 µm, acesta fiind unul dintre primele produse laser lansate. Sudarea cu laser timpurie s-a bazat în principal pe laserul cu dioxid de carbon, care este utilizat în prezent în principal pentru sudarea și tăierea materialelor nemetalice (țesături, materiale plastice, lemn etc.). În plus, este utilizat și pe mașinile de litografie. Laserul cu dioxid de carbon nu poate fi transmis prin fibre optice și se deplasează prin căi optice spațiale. Primele tehnici Tongkuai au fost realizate relativ bine și s-au folosit multe echipamente de tăiere;

Laser YAG (granat de ytriu și aluminiu): Ca mediu de amplificare a laserului se utilizează cristale YAG dopate cu ioni metalici de neodim (Nd) sau ytriu (Yb), cu o lungime de undă de emisie de 1,06 µm. Laserul YAG poate emite impulsuri mai mari, dar puterea medie este scăzută, iar puterea de vârf poate ajunge la de 15 ori puterea medie. Dacă este în principal un laser cu impulsuri, nu se poate obține o putere continuă; dar poate fi transmis prin fibre optice și, în același timp, rata de absorbție a materialelor metalice crește și începe să fie aplicat în materiale cu reflectivitate ridicată, aplicat pentru prima dată în câmpul 3C;

Laser cu fibră: Principalul mediu de amplificare utilizat în prezent pe piață este fibra dopată cu yterbiu, cu o lungime de undă de 1060 nm. În plus, laserele sunt împărțite în fibră și lasere cu disc, în funcție de forma mediului; fibra optică reprezintă IPG, în timp ce discul reprezintă Tongkuai.

Laser semiconductor: Mediul de amplificare este o joncțiune PN semiconductoare, iar lungimea de undă a laserului semiconductor este în principal de 976 nm. În prezent, laserele semiconductoare în infraroșu apropiat sunt utilizate în principal pentru placare, cu spoturi luminoase peste 600 µm. Laserline este o întreprindere reprezentativă pentru laserele semiconductoare.

Clasificate după forma de acțiune a energiei: laser cu impulsuri (PULSE), laser cvasi-continuu (QCW), laser continuu (CW)

Laser cu impulsuri: nanosecundă, picosecundă, femtosecundă, acest laser cu impulsuri de înaltă frecvență (ns, lățime a impulsului) poate atinge adesea o energie de vârf ridicată, procesare de înaltă frecvență (MHZ), fiind utilizat pentru prelucrarea materialelor subțiri diferite de cupru și aluminiu, precum și pentru curățare în principal. Prin utilizarea unei energii de vârf ridicate, poate topi rapid materialul de bază, cu un timp de acțiune redus și o zonă mică afectată termic. Are avantaje în prelucrarea materialelor ultra-subțiri (sub 0,5 mm);

Laser cvasi-continuu (QCW): Datorită ratei mari de repetiție și a ciclului de funcționare redus (sub 50%), lățimea impulsuluiLaser QCWatinge 50 us-50 ms, umplând golul dintre laserul cu fibră continuă la nivel de kilowați și laserul cu impulsuri 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 redusă, iar celălalt este sudarea cu laser pulsat cu o putere de vârf de 10 ori puterea medie, ceea ce poate realiza materiale mai groase și o sudare mai termică, controlând în același timp căldura într-un interval foarte mic;

Laser continuu (CW): Acesta este cel mai frecvent utilizat, iar majoritatea laserelor văzute pe piață sunt lasere CW care emit continuu laser pentru procesarea sudurii. Laserele cu fibră sunt împărțite în lasere monomodale și multimodale în funcție de diferitele diametre ale miezului și calități ale fasciculului și pot fi adaptate la diferite scenarii de aplicare.