Αρχή της δημιουργίας λέιζερ

Γιατί πρέπει να γνωρίζουμε την αρχή των λέιζερ;

Γνωρίζοντας τις διαφορές μεταξύ κοινών λέιζερ ημιαγωγών, ινών, δίσκων καιYAG laserμπορεί επίσης να βοηθήσει στην καλύτερη κατανόηση και τη συμμετοχή σε περισσότερες συζητήσεις κατά τη διαδικασία επιλογής.

Το άρθρο εστιάζει κυρίως στη δημοφιλή επιστήμη: μια σύντομη εισαγωγή στην αρχή της παραγωγής λέιζερ, την κύρια δομή των λέιζερ και αρκετούς κοινούς τύπους λέιζερ.

Πρώτον, η αρχή της παραγωγής λέιζερ

Το λέιζερ παράγεται μέσω της αλληλεπίδρασης μεταξύ φωτός και ύλης, γνωστή ως ενίσχυση διεγερμένης ακτινοβολίας. Η κατανόηση της ενίσχυσης διεγερμένης ακτινοβολίας απαιτεί την κατανόηση των εννοιών του Αϊνστάιν για την αυθόρμητη εκπομπή, την διεγερμένη απορρόφηση και την διεγερμένη ακτινοβολία, καθώς και ορισμένα απαραίτητα θεωρητικά θεμέλια.

Θεωρητική Βάση 1: Μοντέλο Bohr

Το μοντέλο Bohr παρέχει κυρίως την εσωτερική δομή των ατόμων, καθιστώντας εύκολη την κατανόηση του πώς εμφανίζονται τα λέιζερ. Ένα άτομο αποτελείται από έναν πυρήνα και ηλεκτρόνια έξω από τον πυρήνα και τα τροχιακά των ηλεκτρονίων δεν είναι αυθαίρετα. Τα ηλεκτρόνια έχουν μόνο ορισμένα τροχιακά, μεταξύ των οποίων το εσώτερο τροχιακό ονομάζεται θεμελιώδης κατάσταση. Εάν ένα ηλεκτρόνιο βρίσκεται στη θεμελιώδη κατάσταση, η ενέργειά του είναι η χαμηλότερη. Εάν ένα ηλεκτρόνιο πηδήξει έξω από μια τροχιά, ονομάζεται η πρώτη διεγερμένη κατάσταση και η ενέργεια της πρώτης διεγερμένης κατάστασης θα είναι υψηλότερη από αυτή της βασικής κατάστασης. Μια άλλη τροχιά ονομάζεται δεύτερη διεγερμένη κατάσταση.

Ο λόγος για τον οποίο μπορεί να εμφανιστεί λέιζερ είναι επειδή τα ηλεκτρόνια θα κινούνται σε διαφορετικές τροχιές σε αυτό το μοντέλο. Εάν τα ηλεκτρόνια απορροφούν ενέργεια, μπορούν να τρέξουν από τη θεμελιώδη κατάσταση στη διεγερμένη κατάσταση. Εάν ένα ηλεκτρόνιο επιστρέψει από τη διεγερμένη κατάσταση στη βασική κατάσταση, θα απελευθερώσει ενέργεια, η οποία συχνά απελευθερώνεται με τη μορφή λέιζερ.

Θεωρητική Βάση 2: Θεωρία διεγερμένης ακτινοβολίας του Αϊνστάιν

Το 1917, ο Αϊνστάιν πρότεινε τη θεωρία της διεγερμένης ακτινοβολίας, η οποία είναι η θεωρητική βάση για την παραγωγή λέιζερ και λέιζερ: η απορρόφηση ή η εκπομπή της ύλης είναι ουσιαστικά το αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης μεταξύ του πεδίου ακτινοβολίας και των σωματιδίων που αποτελούν την ύλη και του πυρήνα της. Η ουσία είναι η μετάβαση των σωματιδίων μεταξύ διαφορετικών ενεργειακών επιπέδων. Υπάρχουν τρεις διαφορετικές διαδικασίες στην αλληλεπίδραση μεταξύ φωτός και ύλης: αυθόρμητη εκπομπή, διεγερμένη εκπομπή και διεγερμένη απορρόφηση. Για ένα σύστημα που περιέχει μεγάλο αριθμό σωματιδίων, αυτές οι τρεις διαδικασίες συνυπάρχουν πάντα και συνδέονται στενά.

Αυθόρμητη εκπομπή:

Όπως φαίνεται στο σχήμα: ένα ηλεκτρόνιο στο επίπεδο υψηλής ενέργειας E2 μεταβαίνει αυθόρμητα στο επίπεδο χαμηλής ενέργειας E1 και εκπέμπει ένα φωτόνιο με ενέργεια hv, και hv=E2-E1. Αυτή η αυθόρμητη και άσχετη διαδικασία μετάβασης ονομάζεται αυθόρμητη μετάβαση και τα κύματα φωτός που εκπέμπονται από αυθόρμητες μεταβάσεις ονομάζονται αυθόρμητη ακτινοβολία.

Τα χαρακτηριστικά της αυθόρμητης εκπομπής: Κάθε φωτόνιο είναι ανεξάρτητο, με διαφορετικές κατευθύνσεις και φάσεις και ο χρόνος εμφάνισης είναι επίσης τυχαίος. Ανήκει στο ασυνάρτητο και χαοτικό φως, που δεν είναι το φως που απαιτεί το λέιζερ. Επομένως, η διαδικασία παραγωγής λέιζερ πρέπει να μειώσει αυτόν τον τύπο αδέσποτου φωτός. Αυτός είναι επίσης ένας από τους λόγους για τους οποίους το μήκος κύματος διαφόρων λέιζερ έχει αδέσποτο φως. Εάν ελέγχεται καλά, το ποσοστό της αυθόρμητης εκπομπής στο λέιζερ μπορεί να αγνοηθεί. Όσο πιο καθαρό είναι το λέιζερ, όπως τα 1060 nm, είναι όλα 1060 nm. Αυτός ο τύπος λέιζερ έχει σχετικά σταθερό ρυθμό απορρόφησης και ισχύ.

Διεγερμένη απορρόφηση:

Τα ηλεκτρόνια σε χαμηλά επίπεδα ενέργειας (χαμηλά τροχιακά), μετά την απορρόφηση φωτονίων, μεταβαίνουν σε υψηλότερα επίπεδα ενέργειας (υψηλά τροχιακά), και αυτή η διαδικασία ονομάζεται διεγερμένη απορρόφηση. Η διεγερμένη απορρόφηση είναι ζωτικής σημασίας και μία από τις βασικές διαδικασίες άντλησης. Η πηγή αντλίας του λέιζερ παρέχει ενέργεια φωτονίων για να προκαλέσει σωματίδια στο μέσο απολαβής στη μετάβαση και να περιμένει διεγερμένη ακτινοβολία σε υψηλότερα επίπεδα ενέργειας, εκπέμποντας το λέιζερ.

Διεγερμένη ακτινοβολία:

Όταν ακτινοβολείται από το φως της εξωτερικής ενέργειας (hv=E2-E1), το ηλεκτρόνιο στο υψηλό ενεργειακό επίπεδο διεγείρεται από το εξωτερικό φωτόνιο και πηδά στο χαμηλό επίπεδο ενέργειας (η υψηλή τροχιά τρέχει στη χαμηλή τροχιά). Ταυτόχρονα, εκπέμπει ένα φωτόνιο που είναι ακριβώς το ίδιο με το εξωτερικό φωτόνιο. Αυτή η διαδικασία δεν απορροφά το αρχικό φως διέγερσης, επομένως θα υπάρχουν δύο πανομοιότυπα φωτόνια, τα οποία μπορούν να γίνουν κατανοητά καθώς το ηλεκτρόνιο φτύνει το προηγουμένως απορροφημένο φωτόνιο. Αυτή η διαδικασία φωταύγειας ονομάζεται διεγερμένη ακτινοβολία, η οποία είναι η αντίστροφη διαδικασία της διεγερμένης απορρόφησης.

Αφού γίνει σαφής η θεωρία, είναι πολύ απλό να κατασκευαστεί ένα λέιζερ, όπως φαίνεται στο παραπάνω σχήμα: υπό κανονικές συνθήκες σταθερότητας υλικού, η συντριπτική πλειονότητα των ηλεκτρονίων βρίσκεται στη θεμελιώδη κατάσταση, τα ηλεκτρόνια στη θεμελιώδη κατάσταση και το λέιζερ εξαρτάται από διεγερμένη ακτινοβολία. Επομένως, η δομή του λέιζερ είναι να επιτρέπει την διεγερμένη απορρόφηση να λάβει χώρα πρώτα, φέρνοντας τα ηλεκτρόνια στο υψηλό επίπεδο ενέργειας και στη συνέχεια παρέχοντας μια διέγερση για να προκαλέσει μεγάλο αριθμό ηλεκτρονίων υψηλού ενεργειακού επιπέδου να υποστούν διεγερμένη ακτινοβολία, απελευθερώνοντας φωτόνια. μπορεί να δημιουργηθεί λέιζερ. Στη συνέχεια, θα παρουσιάσουμε τη δομή του λέιζερ.

Δομή λέιζερ:

Αντιστοιχίστε τη δομή του λέιζερ με τις συνθήκες παραγωγής λέιζερ που αναφέρθηκαν προηγουμένως μία προς μία:

Συνθήκη εμφάνισης και αντίστοιχη δομή:

1. Υπάρχει ένα μέσο κέρδους που παρέχει εφέ ενίσχυσης ως μέσο εργασίας με λέιζερ και τα ενεργοποιημένα σωματίδια του έχουν δομή στάθμης ενέργειας κατάλληλη για τη δημιουργία διεγερμένης ακτινοβολίας (κυρίως ικανό να αντλεί ηλεκτρόνια σε τροχιακά υψηλής ενέργειας και υπάρχουν για ορισμένο χρονικό διάστημα και στη συνέχεια απελευθερώνουν φωτόνια με μια αναπνοή μέσω διεγερμένης ακτινοβολίας).

2. Υπάρχει μια εξωτερική πηγή διέγερσης (πηγή αντλίας) που μπορεί να αντλεί ηλεκτρόνια από το κατώτερο επίπεδο στο ανώτερο επίπεδο, προκαλώντας αντιστροφή αριθμού σωματιδίων μεταξύ του ανώτερου και του κατώτερου επιπέδου του λέιζερ (δηλ. όταν υπάρχουν περισσότερα σωματίδια υψηλής ενέργειας από σωματίδια χαμηλής ενέργειας), όπως η λάμπα xenon στα λέιζερ YAG.

3. Υπάρχει μια κοιλότητα συντονισμού που μπορεί να επιτύχει ταλάντωση λέιζερ, να αυξήσει το μήκος εργασίας του υλικού εργασίας λέιζερ, να ελέγξει τη λειτουργία κυμάτων φωτός, να ελέγξει την κατεύθυνση διάδοσης της δέσμης, να ενισχύσει επιλεκτικά τη διεγερμένη συχνότητα ακτινοβολίας για να βελτιώσει τη μονοχρωματικότητα (εξασφαλίζοντας ότι η Το λέιζερ εξέρχεται σε μια ορισμένη ενέργεια).

Η αντίστοιχη δομή φαίνεται στο παραπάνω σχήμα, που είναι μια απλή δομή ενός λέιζερ YAG. Άλλες δομές μπορεί να είναι πιο περίπλοκες, αλλά ο πυρήνας είναι αυτός. Η διαδικασία παραγωγής λέιζερ φαίνεται στο σχήμα:

Ταξινόμηση λέιζερ: γενικά ταξινομείται ανά μέσο απολαβής ή ανά μορφή ενέργειας λέιζερ

Κερδίστε μεσαία ταξινόμηση:

Λέιζερ διοξειδίου του άνθρακα: Το μέσο κέρδους του λέιζερ διοξειδίου του άνθρακα είναι το ήλιο καιλέιζερ CO2,με μήκος κύματος λέιζερ 10,6um, το οποίο είναι ένα από τα πρώτα προϊόντα λέιζερ που κυκλοφόρησαν. Η πρώιμη συγκόλληση με λέιζερ βασίστηκε κυρίως στο λέιζερ διοξειδίου του άνθρακα, το οποίο σήμερα χρησιμοποιείται κυρίως για τη συγκόλληση και την κοπή μη μεταλλικών υλικών (υφάσματα, πλαστικά, ξύλο κ.λπ.). Επιπλέον, χρησιμοποιείται και σε μηχανές λιθογραφίας. Το λέιζερ διοξειδίου του άνθρακα δεν μπορεί να μεταδοθεί μέσω οπτικών ινών και ταξιδεύει μέσω χωρικών οπτικών μονοπατιών. Το παλαιότερο Tongkuai έγινε σχετικά καλά και χρησιμοποιήθηκε πολύς εξοπλισμός κοπής.

Λέιζερ YAG (γρανάτης αλουμινίου υττρίου): Κρύσταλλοι YAG με πρόσμιξη μεταλλικών ιόντων νεοδυμίου (Nd) ή υττρίου (Yb) χρησιμοποιούνται ως μέσο κέρδους λέιζερ, με μήκος κύματος εκπομπής 1,06um. Το λέιζερ YAG μπορεί να δώσει υψηλότερους παλμούς, αλλά η μέση ισχύς είναι χαμηλή και η μέγιστη ισχύς μπορεί να φτάσει 15 φορές τη μέση ισχύ. Εάν πρόκειται κυρίως για παλμικό λέιζερ, δεν μπορεί να επιτευχθεί συνεχής έξοδος. Αλλά μπορεί να μεταδοθεί μέσω οπτικών ινών, και ταυτόχρονα, ο ρυθμός απορρόφησης μεταλλικών υλικών αυξάνεται και αρχίζει να εφαρμόζεται σε υλικά υψηλής ανακλαστικότητας, που εφαρμόστηκαν για πρώτη φορά στο πεδίο 3C.

Λέιζερ ινών: Η τρέχουσα επικρατούσα τάση στην αγορά χρησιμοποιεί ίνα με πρόσμιξη υττερβίου ως μέσο κέρδους, με μήκος κύματος 1060 nm. Χωρίζεται περαιτέρω σε λέιζερ οπτικών ινών και δίσκων με βάση το σχήμα του μέσου. Οι οπτικές ίνες αντιπροσωπεύουν το IPG, ενώ ο δίσκος αντιπροσωπεύει το Tongkuai.

Λέιζερ ημιαγωγών: Το μέσο απολαβής είναι μια σύνδεση PN ημιαγωγών και το μήκος κύματος του λέιζερ ημιαγωγών είναι κυρίως στα 976 nm. Επί του παρόντος, τα λέιζερ ημιαγωγών κοντά στο υπέρυθρο χρησιμοποιούνται κυρίως για την επένδυση, με φωτεινές κηλίδες πάνω από 600um. Η Laserline είναι μια αντιπροσωπευτική επιχείρηση λέιζερ ημιαγωγών.

Ταξινομείται με τη μορφή ενεργειακής δράσης: Παλμικό λέιζερ (PULSE), σχεδόν συνεχές λέιζερ (QCW), συνεχές λέιζερ (CW)

Παλμικό λέιζερ: nanosecond, picosecond, femtosecond, αυτό το παλμικό λέιζερ υψηλής συχνότητας (ns, πλάτος παλμού) μπορεί συχνά να επιτύχει υψηλή ενέργεια αιχμής, επεξεργασία υψηλής συχνότητας (MHZ), που χρησιμοποιείται για την επεξεργασία λεπτών ανόμοιων υλικών από χαλκό και αλουμίνιο, καθώς και για τον καθαρισμό κυρίως . Χρησιμοποιώντας υψηλή ενέργεια αιχμής, μπορεί να λιώσει γρήγορα το βασικό υλικό, με χαμηλό χρόνο δράσης και μικρή ζώνη που επηρεάζεται από τη θερμότητα. Έχει πλεονεκτήματα στην επεξεργασία εξαιρετικά λεπτών υλικών (κάτω από 0,5 mm).

Οιονεί συνεχές λέιζερ (QCW): Λόγω του υψηλού ρυθμού επανάληψης και του χαμηλού κύκλου λειτουργίας (κάτω από 50%), το πλάτος παλμού τουQCW λέιζερφτάνει τα 50 us-50 ms, καλύπτοντας το κενό μεταξύ του λέιζερ συνεχούς ίνας σε επίπεδο κιλοβάτ και του παλμικού λέιζερ με μεταγωγή Q. Η μέγιστη ισχύς ενός οιονεί συνεχούς λέιζερ ινών μπορεί να φτάσει 10 φορές τη μέση ισχύ σε λειτουργία συνεχούς λειτουργίας. Τα λέιζερ QCW έχουν γενικά δύο τρόπους, ο ένας είναι η συνεχής συγκόλληση σε χαμηλή ισχύ και ο άλλος είναι η συγκόλληση με παλμικό λέιζερ με ισχύ αιχμής 10 φορές τη μέση ισχύ, η οποία μπορεί να επιτύχει παχύτερα υλικά και περισσότερη θερμική συγκόλληση, ενώ παράλληλα ελέγχει τη θερμότητα εντός ενός πολύ μικρή εμβέλεια?

Συνεχές λέιζερ (CW): Αυτό είναι το πιο συχνά χρησιμοποιούμενο και τα περισσότερα από τα λέιζερ που εμφανίζονται στην αγορά είναι λέιζερ CW που παράγουν συνεχώς λέιζερ για επεξεργασία συγκόλλησης. Τα λέιζερ οπτικών ινών χωρίζονται σε λέιζερ μονής και πολλαπλής λειτουργίας σύμφωνα με διαφορετικές διαμέτρους πυρήνα και ποιότητες δέσμης και μπορούν να προσαρμοστούν σε διαφορετικά σενάρια εφαρμογής.