Beginsel van Laseropwekking

Waarom moet ons die beginsel van lasers ken?

Om die verskille tussen algemene halfgeleierlasers, vesels, skywe enYAG-laserkan ook help om 'n beter begrip te verkry en aan meer besprekings tydens die keuringsproses deel te neem.

Die artikel fokus hoofsaaklik op populêre wetenskap: 'n kort inleiding tot die beginsel van laseropwekking, 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, moet Einstein se konsepte van spontane emissie, gestimuleerde absorpsie en gestimuleerde straling, sowel as 'n paar nodige teoretiese fondamente, verstaan ​​word.

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 bestaan ​​uit 'n kern en elektrone buite die kern, en die orbitale van elektrone is nie arbitrêr nie. Elektrone het slegs 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 wentelbaan word die tweede opgewekte toestand genoem;

Die rede waarom lasers kan voorkom, is omdat elektrone in verskillende wentelbane in hierdie model sal beweeg. As elektrone energie absorbeer, kan hulle van die grondtoestand na die opgewekte toestand beweeg; 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 gevolg van die interaksie tussen die stralingsveld en die deeltjies waaruit materie bestaan, en die kern daarvan 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 straling genoem.

Die eienskappe 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 benodig word nie. Daarom moet die lasergenereringsproses hierdie tipe verdwaalde lig verminder. Dit is ook een van die redes waarom die golflengte van verskeie lasers verdwaalde lig het. Indien dit goed beheer word, kan die verhouding van spontane emissie in die laser geïgnoreer word. Hoe suiwerder die laser, soos 1060 nm, hoe meer is dit 1060 nm. Hierdie tipe laser het 'n relatief stabiele absorpsietempo en krag.

Gestimuleerde absorpsie:

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

Gestimuleerde straling:

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 wat die voorheen geabsorbeerde foton uitspoeg. Hierdie luminessensieproses 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 is afhanklik van gestimuleerde straling. Daarom is die struktuur van die laser om eers gestimuleerde absorpsie toe te laat, wat elektrone na die hoë energievlak bring, en dan 'n opwekking te verskaf om 'n groot aantal hoë-energievlak-elektrone gestimuleerde straling te ondergaan, wat fotone vrystel. Hieruit kan 'n laser gegenereer word. Vervolgens sal ons die laserstruktuur bekendstel.

Laserstruktuur:

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

Toestand van voorkoms en ooreenstemmende struktuur:

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

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 (d.w.s. wanneer daar meer hoë-energie deeltjies as lae-energie deeltjies is), soos die xenonlamp in YAG-lasers;

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

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

Laserklassifikasie: oor die algemeen geklassifiseer volgens versterkingsmedium of volgens laserenergievorm

Kry medium klassifikasie:

KoolstofdioksiedlaserDie versterkingsmedium van koolstofdioksiedlaser is helium enCO2-laser,met 'n lasergolflengte van 10.6um, wat een van die vroegste laserprodukte is wat bekendgestel is. Die vroeë lasersweiswerk was hoofsaaklik gebaseer op koolstofdioksiedlaser, wat tans hoofsaaklik gebruik word vir die sweis en sny van nie-metaalmateriale (materiale, 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 neodimium (Nd) of yttrium (Yb) metaalione word as die laserversterkingsmedium gebruik, met 'n emissiegolflengte van 1.06 µm. Die YAG-laser kan hoër pulse uitstuur, maar die gemiddelde krag is laag, en die piekkrag kan 15 keer die gemiddelde krag bereik. As dit hoofsaaklik 'n pulslaser is, kan kontinue 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 hoë reflektiwiteitsmateriale, 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 1060 nm. Dit word verder verdeel in vesel- en skyflasers gebaseer op die vorm van die medium; Veseloptika verteenwoordig IPG, terwyl skyf Tongkuai verteenwoordig.

Halfgeleierlaser: Die versterkingsmedium is 'n halfgeleier-PN-voeg, en die golflengte van die halfgeleierlaser is hoofsaaklik 976 nm. Tans word halfgeleier-nabye-infrarooilasers hoofsaaklik vir bekleding gebruik, met ligkolle bo 600 µm. Laserline is 'n verteenwoordigende onderneming van halfgeleierlasers.

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

Pulslaser: nanosekonde, pikosekonde, femtosekonde, hierdie hoëfrekwensie-pulslaser (ns, pulswydte) kan dikwels hoë piekenergie en hoëfrekwensie (MHZ) verwerking bereik, en word gebruik vir die verwerking van dun koper- en aluminiummateriale, asook vir die skoonmaak meestal. 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 ultradun materiale (onder 0.5 mm);

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

Deurlopende Laser (CD): Dit is die mees gebruikte laser, en die meeste van die lasers wat op die mark gesien word, is CD-lasers wat deurlopende lasers vir sweisverwerking uitvoer. Vesellasers word verdeel in enkelmodus- en multimoduslasers volgens verskillende kerndiameters en straalkwaliteite, en kan aangepas word vir verskillende toepassingscenario's.