Beginsel van lasergenerering

Hoekom moet ons die beginsel van lasers ken?

Om die verskille tussen algemene halfgeleierlasers, vesels, skywe enYAG laserkan ook help om 'n beter begrip te kry en betrokke te raak by meer besprekings tydens die keuringsproses.

Die artikel fokus hoofsaaklik op populêre wetenskap: 'n kort inleiding tot die beginsel van lasergenerering, die hoofstruktuur van lasers, en verskeie algemene tipes lasers.

Eerstens, die beginsel van lasergenerering

Laser word gegenereer deur die interaksie tussen lig en materie, bekend as gestimuleerde stralingsversterking; Om gestimuleerde stralingsversterking te verstaan, vereis begrip van Einstein se konsepte van spontane emissie, gestimuleerde absorpsie en gestimuleerde straling, sowel as 'n paar nodige teoretiese grondslae.

Teoretiese basis 1: Bohr-model

Die Bohr-model verskaf hoofsaaklik die interne struktuur van atome, wat dit maklik maak om te verstaan ​​hoe lasers voorkom. 'n Atoom is saamgestel uit 'n kern en elektrone buite die kern, en die orbitale van elektrone is nie arbitrêr nie. Elektrone het net sekere orbitale, waaronder die binneste orbitaal die grondtoestand genoem word; As 'n elektron in die grondtoestand is, is sy energie die laagste. As 'n elektron uit 'n wentelbaan spring, word dit die eerste opgewekte toestand genoem, en die energie van die eerste opgewekte toestand sal hoër wees as dié van die grondtoestand; 'n Ander baan word die tweede opgewekte toestand genoem;

Die rede waarom laser kan voorkom, is omdat elektrone in verskillende bane in hierdie model sal beweeg. As elektrone energie absorbeer, kan hulle van die grondtoestand na die opgewekte toestand loop; As 'n elektron van die opgewekte toestand na die grondtoestand terugkeer, sal dit energie vrystel, wat dikwels in die vorm van 'n laser vrygestel word.

Teoretiese basis 2: Einstein se gestimuleerde stralingsteorie

In 1917 het Einstein die teorie van gestimuleerde straling voorgestel, wat die teoretiese basis vir lasers en laserproduksie is: die absorpsie of emissie van materie is in wese die resultaat van die interaksie tussen die stralingsveld en die deeltjies waaruit materie bestaan, en die kern daarvan. essensie is die oorgang van deeltjies tussen verskillende energievlakke. Daar is drie verskillende prosesse in die interaksie tussen lig en materie: spontane emissie, gestimuleerde emissie en gestimuleerde absorpsie. Vir 'n stelsel wat 'n groot aantal deeltjies bevat, bestaan ​​hierdie drie prosesse altyd saam en is nou verwant.

Spontane emissie:

Soos in die figuur getoon: 'n elektron op die hoë-energievlak E2 gaan spontaan oor na die lae-energievlak E1 en straal 'n foton uit met 'n energie van hv, en hv=E2-E1; Hierdie spontane en onverwante oorgangsproses word spontane oorgang genoem, en die liggolwe wat deur spontane oorgange uitgestraal word, word spontane bestraling genoem.

Die kenmerke van spontane emissie: Elke foton is onafhanklik, met verskillende rigtings en fases, en die voorkomstyd is ook ewekansig. Dit behoort aan onsamehangende en chaotiese lig, wat nie die lig is wat deur die laser vereis word nie. Daarom moet die lasergenereringsproses hierdie tipe verdwaalde lig verminder. Dit is ook een van die redes waarom die golflengte van verskeie lasers dwaallig het. As dit goed beheer word, kan die proporsie van spontane emissie in die laser geïgnoreer word. Hoe suiwerder die laser, soos 1060 nm, dit is alles 1060 nm, Hierdie tipe laser het 'n relatief stabiele absorpsietempo en krag.

Gestimuleerde absorpsie:

Elektrone by lae energievlakke (lae orbitale), nadat fotone geabsorbeer is, gaan oor na hoër energievlakke (hoë orbitale), en hierdie proses word gestimuleerde absorpsie genoem. Gestimuleerde absorpsie is van kardinale belang en een van die belangrikste pompprosesse. Die pompbron van die laser verskaf fotonenergie om deeltjies in die versterkingsmedium te laat oorgaan en wag vir gestimuleerde bestraling by hoër energievlakke, wat die laser uitstraal.

Gestimuleerde bestraling:

Wanneer dit deur die lig van eksterne energie (hv=E2-E1) bestraal word, word die elektron op die hoë energievlak deur die eksterne foton opgewek en spring na die lae energievlak (die hoë wentelbaan loop na die lae wentelbaan). Terselfdertyd straal dit 'n foton uit wat presies dieselfde is as die eksterne foton. Hierdie proses absorbeer nie die oorspronklike opwekkingslig nie, dus sal daar twee identiese fotone wees, wat verstaan ​​kan word as die elektron die voorheen geabsorbeerde foton uitspoeg. Hierdie luminesensieproses word gestimuleerde straling genoem, wat die omgekeerde proses van gestimuleerde absorpsie is.

Nadat die teorie duidelik is, is dit baie eenvoudig om 'n laser te bou, soos in die bostaande figuur getoon: onder normale toestande van materiaalstabiliteit is die oorgrote meerderheid elektrone in die grondtoestand, elektrone in die grondtoestand, en laser hang af van gestimuleerde bestraling. Daarom is die struktuur van die laser om gestimuleerde absorpsie eers toe te laat om elektrone na die hoë energievlak te bring, en dan 'n opwekking te verskaf om 'n groot aantal hoë-energievlak-elektrone te laat gestimuleerde bestraling ondergaan, wat fotone vrystel. laser gegenereer kan word. Vervolgens sal ons die laserstruktuur bekendstel.

Laser struktuur:

Pas die laserstruktuur een vir een by die lasergenereringstoestande wat vroeër genoem is:

Toestand van voorkoms en ooreenstemmende struktuur:

1. Daar is 'n versterkingsmedium wat versterkingseffek as die laserwerkmedium verskaf, en sy geaktiveerde deeltjies het 'n energievlakstruktuur wat geskik is vir die opwekking van gestimuleerde straling (hoofsaaklik in staat om elektrone na hoë-energie orbitale te pomp en bestaan ​​vir 'n sekere tydperk , en stel dan fotone in een asem vry deur gestimuleerde bestraling);

2. Daar is 'n eksterne opwekkingsbron (pompbron) wat elektrone van die onderste vlak na die boonste vlak kan pomp, wat deeltjiegetal-inversie tussen die boonste en onderste vlakke van die laser veroorsaak (dws wanneer daar meer hoë-energie deeltjies as lae-energie deeltjies), soos die xenon lamp in YAG lasers;

3. Daar is 'n resonante holte wat laserossillasie kan bereik, die werkslengte van die laserwerkmateriaal kan verhoog, die liggolfmodus kan skerm, die voortplantingsrigting van die straal kan beheer, die gestimuleerde stralingsfrekwensie selektief kan versterk om monochromatiesiteit te verbeter (om te verseker dat die laser word uitgevoer teen 'n sekere energie).

Die ooreenstemmende struktuur word in die bostaande figuur getoon, wat 'n eenvoudige struktuur van 'n YAG-laser is. Ander strukture kan meer kompleks wees, maar die kern is dit. Die lasergenereringsproses word in die figuur getoon:

Laserklassifikasie: algemeen geklassifiseer volgens winsmedium of laserenergievorm

Verkry medium klassifikasie:

Koolstofdioksied laser: Die aanwinsmedium van koolstofdioksiedlaser is helium enCO2 laser,met 'n lasergolflengte van 10.6um, wat een van die vroegste laserprodukte is wat bekend gestel is. Die vroeë lasersweiswerk was hoofsaaklik gebaseer op koolstofdioksiedlaser, wat tans hoofsaaklik gebruik word vir sweiswerk en sny van nie-metaalmateriaal (stowwe, plastiek, hout, ens.). Daarbenewens word dit ook op litografiemasjiene gebruik. Koolstofdioksiedlaser kan nie deur optiese vesels oorgedra word nie en beweeg deur ruimtelike optiese paaie. Die vroegste Tongkuai is relatief goed gedoen, en baie snytoerusting is gebruik;

YAG (yttrium aluminium granaat) laser: YAG kristalle gedoteer met neodymium (Nd) of yttrium (Yb) metaalione word gebruik as die laser versterk medium, met 'n emissie golflengte van 1.06um. Die YAG-laser kan hoër pulse uitstuur, maar die gemiddelde krag is laag, en die piekkrag kan 15 keer die gemiddelde drywing bereik. As dit hoofsaaklik 'n pulslaser is, kan deurlopende uitset nie bereik word nie; Maar dit kan deur optiese vesels oorgedra word, en terselfdertyd neem die absorpsietempo van metaalmateriale toe, en dit begin toegepas word in materiale met hoë reflektiwiteit, wat eers in die 3C-veld toegepas word;

Vesellaser: Die huidige hoofstroom in die mark gebruik ytterbium gedoteerde vesel as die versterkingsmedium, met 'n golflengte van 1060nm. Dit word verder verdeel in vesel- en skyflasers gebaseer op die vorm van die medium; Optiese vesel verteenwoordig IPG, terwyl skyf Tongkuai verteenwoordig.

Halfgeleierlaser: Die versterkingsmedium is 'n halfgeleier PN-aansluiting, en die golflengte van die halfgeleierlaser is hoofsaaklik by 976nm. Tans word halfgeleier naby-infrarooi lasers hoofsaaklik gebruik vir bekleding, met ligte kolle bo 600um. Laserline is 'n verteenwoordigende onderneming van halfgeleierlasers.

Geklassifiseer volgens die vorm van energie-aksie: Polslaser (PULSE), kwasi-kontinue laser (QCW), kontinue laser (CW)

Polslaser: nanosekonde, pikosekonde, femtosekonde, hierdie hoëfrekwensie-pulslaser (ns, polswydte) kan dikwels hoë piekenergie, hoëfrekwensie (MHZ) verwerking bereik, wat gebruik word vir die verwerking van dun koper- en aluminium-soortgelyke materiale, sowel as om meestal skoon te maak . Deur hoë piekenergie te gebruik, kan dit die basismateriaal vinnig smelt, met 'n lae aksietyd en 'n klein hitte-geaffekteerde sone. Dit het voordele in die verwerking van ultra-dun materiale (onder 0,5 mm);

Quasi continuous laser (QCW): As gevolg van hoë herhalingstempo en lae dienssiklus (onder 50%), is die polswydte vanQCW laserbereik 50 us-50 ms, vul die gaping tussen kilowattvlak deurlopende vesellaser en Q-geskakelde pulslaser; Die piekkrag van 'n kwasi-aaneenlopende vesellaser kan 10 keer die gemiddelde krag bereik onder deurlopende moduswerking. QCW-lasers het oor die algemeen twee modusse, een is deurlopende sweiswerk teen lae krag, en die ander is gepulseerde lasersweiswerk met 'n piekkrag van 10 keer die gemiddelde drywing, wat dikker materiale en meer hittesweiswerk kan bereik, terwyl dit ook die hitte binne 'n baie klein reeks;

Deurlopende laser (CW): Dit is die algemeenste gebruik, en die meeste van die lasers wat op die mark gesien word, is CW-lasers wat deurlopend laser uitstuur vir sweisverwerking. Vesellasers word verdeel in enkelmodus- en multimoduslasers volgens verskillende kerndiameters en straalkwaliteite, en kan by verskillende toepassingscenario's aangepas word.