Αρχή της παραγωγής λέιζερ

Γιατί πρέπει να γνωρίζουμε την αρχή λειτουργίας των λέιζερ;

Γνωρίζοντας τις διαφορές μεταξύ των κοινών ημιαγωγικών λέιζερ, οπτικών ινών, δίσκων καιΛέιζερ YAGμπορεί επίσης να βοηθήσει στην καλύτερη κατανόηση και στη συμμετοχή σε περισσότερες συζητήσεις κατά τη διάρκεια της διαδικασίας επιλογής.

Το άρθρο επικεντρώνεται κυρίως στην εκλαϊκευμένη επιστήμη: μια σύντομη εισαγωγή στην αρχή της παραγωγής λέιζερ, την κύρια δομή των λέιζερ και διάφορους κοινούς τύπους λέιζερ.

Πρώτον, η αρχή της παραγωγής λέιζερ

Το λέιζερ παράγεται μέσω της αλληλεπίδρασης μεταξύ φωτός και ύλης, γνωστής ως ενίσχυση με διεγερμένη ακτινοβολία. Η κατανόηση της ενίσχυσης με διεγερμένη ακτινοβολία απαιτεί την κατανόηση των εννοιών του Αϊνστάιν για την αυθόρμητη εκπομπή, την διεγερμένη απορρόφηση και την διεγερμένη ακτινοβολία, καθώς και ορισμένων απαραίτητων θεωρητικών θεμελίων.

Θεωρητική Βάση 1: Μοντέλο Bohr

Το μοντέλο Bohr παρέχει κυρίως την εσωτερική δομή των ατόμων, καθιστώντας εύκολη την κατανόηση του τρόπου με τον οποίο δημιουργούνται 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 εσωτερικό τροχιακό ονομάζεται θεμελιώδης κατάσταση. Εάν ένα ηλεκτρόνιο βρίσκεται στη θεμελιώδη κατάσταση, η ενέργειά του είναι η χαμηλότερη. Εάν ένα ηλεκτρόνιο βγει από μια τροχιά, ονομάζεται πρώτη διεγερμένη κατάσταση, και η ενέργεια της πρώτης διεγερμένης κατάστασης θα είναι υψηλότερη από αυτήν της θεμελιώδους 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 απορροφήσουν ενέργεια, μπορούν να κινηθούν από την θεμελιώδη κατάσταση στην διεγερμένη κατάσταση. Εάν ένα ηλεκτρόνιο επιστρέψει από την διεγερμένη κατάσταση στην θεμελιώδη κατάσταση, θα απελευθερώσει ενέργεια, η οποία συχνά απελευθερώνεται με τη μορφή λέιζερ.

Θεωρητική Βάση 2: Η Θεωρία της Διεγερμένης Ακτινοβολίας του Αϊνστάιν

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

Αυθόρμητη εκπομπή:

Όπως φαίνεται στο σχήμα: ένα ηλεκτρόνιο στο υψηλό ενεργειακό επίπεδο E2 μεταβαίνει αυθόρμητα στο χαμηλό ενεργειακό επίπεδο E1 και εκπέμπει ένα φωτόνιο με ενέργεια hv, και hv=E2-E1. Αυτή η αυθόρμητη και άσχετη διαδικασία μετάβασης ονομάζεται αυθόρμητη μετάβαση, και τα φωτεινά κύματα 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 ασύμφωνο και χαοτικό φως, το οποίο δεν είναι το φως που απαιτείται από το λέιζερ. Επομένως, η διαδικασία παραγωγής λέιζερ πρέπει να μειώσει αυτόν τον τύπο σκεδαζόμενου φωτός. Αυτός είναι επίσης ένας από τους λόγους για τους οποίους το μήκος κύματος διαφόρων λέιζερ έχει σκεδαζόμενο φως. Εάν ελεγχθεί καλά, το ποσοστό της αυθόρμητης εκπομπής στο λέιζερ μπορεί να αγνοηθεί. Όσο πιο καθαρό είναι το λέιζερ, όπως 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), αφού απορροφήσουν φωτόνια, μεταβαίνουν σε υψηλότερα επίπεδα ενέργειας (υψηλά τροχιακά), και αυτή η διαδικασία ονομάζεται διεγερμένη απορρόφηση. Η διεγερμένη απορρόφηση είναι κρίσιμη και μία από τις βασικές διαδικασίες άντλησης. Η πηγή άντλησης του λέιζερ παρέχει ενέργεια φωτονίων για να προκαλέσει τη μετάβαση των σωματιδίων στο μέσο κέρδους και την αναμονή για διεγερμένη ακτινοβολία σε υψηλότερα επίπεδα ενέργειας, εκπέμποντας το λέιζερ.

Διεγερμένη ακτινοβολία:

Όταν ακτινοβολείται από το φως εξωτερικής ενέργειας (hv=E2-E1), το ηλεκτρόνιο στο υψηλό ενεργειακό επίπεδο διεγείρεται από το εξωτερικό φωτόνιο και μεταπηδά στο χαμηλό ενεργειακό επίπεδο (η υψηλή τροχιά τρέχει προς τη 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 ως το ηλεκτρόνιο που εκπέμπει το προηγουμένως απορροφημένο φωτόνιο. Αυτή η διαδικασία φωταύγειας ονομάζεται διεγερμένη ακτινοβολία, η οποία είναι η αντίστροφη διαδικασία της διεγερμένης απορρόφησης.

Αφού η θεωρία γίνει σαφής, είναι πολύ απλό να κατασκευαστεί ένα λέιζερ, όπως φαίνεται στο παραπάνω σχήμα: υπό κανονικές συνθήκες σταθερότητας υλικού, η συντριπτική πλειοψηφία των ηλεκτρονίων βρίσκεται στην θεμελιώδη κατάσταση, τα ηλεκτρόνια στην θεμελιώδη κατάσταση και το λέιζερ εξαρτάται από την διεγερμένη ακτινοβολία. Επομένως, η δομή του λέιζερ είναι να επιτρέπει πρώτα την διεγερμένη απορρόφηση, φέρνοντας τα ηλεκτρόνια στο υψηλό ενεργειακό επίπεδο και στη συνέχεια να παρέχει μια διέγερση για να προκαλέσει μεγάλο αριθμό ηλεκτρονίων υψηλού ενεργειακού επιπέδου να υποβληθούν σε διεγερμένη ακτινοβολία, απελευθερώνοντας φωτόνια. Από αυτό, μπορεί να παραχθεί λέιζερ. Στη συνέχεια, θα εισαγάγουμε 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 λέιζερ, και τα ενεργοποιημένα σωματίδια του έχουν μια δομή ενεργειακού επιπέδου κατάλληλη για την παραγωγή διεγερμένης ακτινοβολίας (κυρίως ικανή να αντλεί ηλεκτρόνια σε τροχιακά υψηλής ενέργειας και να υπάρχει για ένα ορισμένο χρονικό διάστημα, και στη συνέχεια να απελευθερώνει φωτόνια σε μία 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 του αριθμού των σωματιδίων μεταξύ του ανώτερου και του κατώτερου επιπέδου του λέιζερ (δηλαδή, όταν υπάρχουν περισσότερα σωματίδια υψηλής ενέργειας από ό,τι σωματίδια χαμηλής ενέργειας), όπως η λάμπα ξένου στα λέιζερ YAG.

3. Υπάρχει μια συντονισμένη κοιλότητα που μπορεί να επιτύχει ταλάντωση λέιζερ, να αυξήσει το μήκος εργασίας του υλικού εργασίας λέιζερ, να ελέγξει τη λειτουργία φωτεινού κύματος, να ελέγξει την κατεύθυνση διάδοσης της δέσμης, να ενισχύσει επιλεκτικά τη συχνότητα διέγερσης ακτινοβολίας για να βελτιώσει τη μονοχρωματικότητα (εξασφαλίζοντας ότι το λέιζερ εξάγεται σε μια συγκεκριμένη ενέργεια).

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

Ταξινόμηση λέιζερ: γενικά ταξινομείται με βάση το μέσο κέρδους ή τη μορφή ενέργειας λέιζερ

Ταξινόμηση μέσου κέρδους:

Λέιζερ διοξειδίου του άνθρακαΤο μέσο κέρδους του λέιζερ διοξειδίου του άνθρακα είναι το ήλιο καιΛέιζερ CO2,με μήκος κύματος λέιζερ 10,6 μm, το οποίο είναι ένα από τα πρώτα προϊόντα λέιζερ που κυκλοφόρησαν. Η πρώιμη συγκόλληση με λέιζερ βασιζόταν κυρίως στο λέιζερ διοξειδίου του άνθρακα, το οποίο σήμερα χρησιμοποιείται κυρίως για τη συγκόλληση και 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 διαδρομών. Το πρώτο Tongkuai έγινε σχετικά καλά και χρησιμοποιήθηκε πολύς εξοπλισμός κοπής.

Λέιζερ YAG (γρανέτο υττρίου αλουμινίου): Κρύσταλλοι YAG με πρόσμιξη μεταλλικών ιόντων νεοδυμίου (Nd) ή υττρίου (Yb) χρησιμοποιούνται ως μέσο ενίσχυσης λέιζερ, με μήκος κύματος εκπομπής 1,06 μm. Το λέιζερ YAG μπορεί να παράγει 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 των μεταλλικών υλικών αυξάνεται και αρχίζει να εφαρμόζεται σε υλικά υψηλής ανακλαστικότητας, εφαρμοζόμενα πρώτα στο πεδίο 3C.

Λέιζερ οπτικών ινών: Η τρέχουσα επικρατούσα τάση στην αγορά χρησιμοποιεί οπτικές ίνες με πρόσμιξη υττερβίου ως μέσο κέρδους, με μήκος κύματος 1060nm. Διαιρείται περαιτέρω σε λέιζερ οπτικών ινών και λέιζερ δίσκου με βάση το σχήμα του μέσου. Η οπτική ίνα αντιπροσωπεύει το IPG, ενώ η δισκοειδής ίνα αντιπροσωπεύει το Tongkuai.

Λέιζερ ημιαγωγών: Το μέσο κέρδους είναι μια ημιαγωγική σύνδεση PN και το μήκος κύματος του ημιαγωγού λέιζερ είναι κυρίως στα 976nm. Επί του παρόντος, τα ημιαγωγικά λέιζερ εγγύς υπέρυθρης ακτινοβολίας χρησιμοποιούνται κυρίως για επενδύσεις, με φωτεινές κηλίδες άνω των 600um. Η Laserline είναι μια αντιπροσωπευτική επιχείρηση λέιζερ ημιαγωγών.

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

Παλμικό λέιζερ: νανοδευτερόλεπτο, πικοδευτερόλεπτο, φεμτοδευτερόλεπτο, αυτό το παλμικό λέιζερ υψηλής συχνότητας (ns, πλάτος παλμού) μπορεί συχνά να επιτύχει υψηλή ενέργεια κορυφής, επεξεργασία υψηλής συχνότητας (MHZ), που χρησιμοποιείται για την επεξεργασία λεπτών υλικών από χαλκό και αλουμίνιο, καθώς και κυρίως για τον καθαρισμό. Χρησιμοποιώντας υψηλή ενέργεια κορυφής, 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 των 0,5 mm).

Οιονεί συνεχές λέιζερ (QCW): Λόγω του υψηλού ρυθμού επανάληψης και του χαμηλού κύκλου λειτουργίας (κάτω του 50%), το πλάτος παλμού τουQCW λέιζερφτάνει τα 50 us-50 ms, γεμίζοντας το κενό μεταξύ του λέιζερ συνεχούς οπτικής ίνας σε επίπεδο κιλοβάτ και του παλμικού λέιζερ Q-switched. Η μέγιστη ισχύς ενός σχεδόν συνεχούς λέιζερ οπτικής ίνας μπορεί να φτάσει 10 φορές τη μέση ισχύ υπό συνεχή λειτουργία. Τα λέιζερ QCW έχουν γενικά δύο λειτουργίες, η μία είναι η συνεχής συγκόλληση σε χαμηλή ισχύ και η άλλη είναι η παλμική συγκόλληση λέιζερ με μέγιστη ισχύ 10 φορές τη μέση ισχύ, η οποία μπορεί να επιτύχει παχύτερα υλικά και περισσότερη θερμική συγκόλληση, ενώ παράλληλα ελέγχει τη θερμότητα σε πολύ μικρό εύρος.

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 λειτουργίας και πολλαπλών λειτουργιών ανάλογα με τις διαφορετικές διαμέτρους πυρήνα και τις ιδιότητες δέσμης και μπορούν να προσαρμοστούν σε διαφορετικά σενάρια εφαρμογής.