Защо трябва да знаем принципа на лазерите?
Познаване на разликите между обикновените полупроводникови лазери, влакна, дискове иYAG лазерможе също да помогне за по-добро разбиране и участие в повече дискусии по време на процеса на подбор.
Статията се фокусира основно върху популярната наука: кратко въведение в принципа на лазерно генериране, основната структура на лазерите и няколко често срещани типа лазери.
Първо, принципът на лазерно генериране
Лазерът се генерира чрез взаимодействието между светлина и материя, известно като стимулирано усилване на радиацията; Разбирането на стимулираното радиационно усилване изисква разбиране на концепциите на Айнщайн за спонтанно излъчване, стимулирано поглъщане и стимулирано излъчване, както и някои необходими теоретични основи.
Теоретична основа 1: Модел на Бор
Моделът на Бор предоставя главно вътрешната структура на атомите, което улеснява разбирането как възникват лазерите. Атомът се състои от ядро и електрони извън ядрото, а орбиталите на електроните не са произволни. Електроните имат само определени орбитали, сред които най-вътрешната орбитала се нарича основно състояние; Ако един електрон е в основно състояние, неговата енергия е най-ниска. Ако електрон изскочи от орбита, това се нарича първо възбудено състояние и енергията на първото възбудено състояние ще бъде по-висока от тази на основното състояние; Друга орбита се нарича второ възбудено състояние;
Причината, поради която може да се появи лазер, е, че електроните ще се движат в различни орбити в този модел. Ако електроните абсорбират енергия, те могат да преминат от основното състояние към възбуденото състояние; Ако електрон се върне от възбудено състояние в основно състояние, той ще освободи енергия, която често се освобождава под формата на лазер.
Теоретична основа 2: Теорията на стимулираното лъчение на Айнщайн
През 1917 г. Айнщайн предлага теорията за стимулираното лъчение, която е теоретичната основа за лазерите и лазерното производство: поглъщането или излъчването на материя е по същество резултат от взаимодействието между радиационното поле и частиците, които изграждат материята, и нейното ядро същността е преходът на частиците между различни енергийни нива. Има три различни процеса при взаимодействието между светлина и материя: спонтанно излъчване, стимулирано излъчване и стимулирано поглъщане. За система, съдържаща голям брой частици, тези три процеса винаги съществуват едновременно и са тясно свързани.
Спонтанно излъчване:
Както е показано на фигурата: електрон на високоенергийно ниво E2 спонтанно преминава към нискоенергийно ниво E1 и излъчва фотон с енергия hv и hv=E2-E1; Този спонтанен и несвързан процес на преход се нарича спонтанен преход, а светлинните вълни, излъчвани от спонтанни преходи, се наричат спонтанно излъчване.
Характеристиките на спонтанното излъчване: Всеки фотон е независим, с различни посоки и фази, а времето на възникване също е случайно. Принадлежи към некохерентната и хаотична светлина, която не е светлината, необходима на лазера. Следователно процесът на лазерно генериране трябва да намали този тип разсеяна светлина. Това също е една от причините дължината на вълната на различните лазери да има разсеяна светлина. Ако се контролира добре, делът на спонтанното излъчване в лазера може да бъде игнориран. Колкото по-чист е лазерът, като например 1060 nm, той е 1060 nm. Този тип лазер има относително стабилна скорост на абсорбция и мощност.
Стимулирана абсорбция:
Електроните на ниски енергийни нива (ниски орбитали), след поглъщане на фотони, преминават към по-високи енергийни нива (високи орбитали) и този процес се нарича стимулирана абсорбция. Стимулираното усвояване е решаващо и един от ключовите процеси на изпомпване. Източникът на помпата на лазера осигурява фотонна енергия, за да накара частиците в усилващата среда да преминат и да изчакат стимулирано лъчение на по-високи енергийни нива, излъчвайки лазера.
Стимулирана радиация:
Когато бъде облъчен от светлината на външна енергия (hv=E2-E1), електронът на високо енергийно ниво се възбужда от външния фотон и скача на ниско енергийно ниво (високата орбита се движи към ниската орбита). В същото време той излъчва фотон, който е точно същият като външния фотон. Този процес не абсорбира оригиналната възбуждаща светлина, така че ще има два идентични фотона, което може да се разбере, че електронът изплюва предишния абсорбиран фотон. Този процес на луминесценция се нарича стимулирано излъчване, което е обратният процес на стимулираното поглъщане.
След като теорията е ясна, е много лесно да се изгради лазер, както е показано на фигурата по-горе: при нормални условия на стабилност на материала по-голямата част от електроните са в основно състояние, електроните в основно състояние и лазерът зависи от стимулирана радиация. Следователно структурата на лазера позволява първо да се появи стимулирана абсорбция, извеждайки електроните до високо енергийно ниво и след това осигурявайки възбуждане, за да накара голям брой електрони с високо енергийно ниво да преминат през стимулирано излъчване, освобождавайки фотони, От това, може да се генерира лазер. След това ще представим лазерната структура.
Лазерна структура:
Свържете структурата на лазера с условията за лазерно генериране, споменати по-рано едно по едно:
Условие на възникване и съответна структура:
1. Има усилваща среда, която осигурява ефект на усилване като работна среда на лазера, и нейните активирани частици имат структура на енергийно ниво, подходяща за генериране на стимулирано лъчение (основно способни да изпомпват електрони към високоенергийни орбитали и да съществуват за определен период от време , и след това освобождаване на фотони на един дъх чрез стимулирано лъчение);
2. Има външен източник на възбуждане (източник на помпа), който може да изпомпва електрони от долното ниво към горното ниво, причинявайки инверсия на броя на частиците между горното и долното ниво на лазера (т.е. когато има повече високоенергийни частици от нискоенергийни частици), като ксенонова лампа в YAG лазери;
3. Има резонансна кухина, която може да постигне лазерно трептене, да увеличи работната дължина на лазерния работен материал, да екранира режима на светлинната вълна, да контролира посоката на разпространение на лъча, селективно да усили честотата на стимулираното излъчване, за да подобри монохроматичността (гарантирайки, че лазерът се излъчва с определена енергия).
Съответстващата структура е показана на горната фигура, която е проста структура на YAG лазер. Други структури може да са по-сложни, но ядрото е това. Процесът на лазерно генериране е показан на фигурата:
Лазерна класификация: обикновено се класифицира по усилваща среда или по форма на лазерна енергия
Спечелете средна класификация:
Лазер с въглероден диоксид: Усилващата среда на лазера с въглероден диоксид е хелий иCO2 лазер,с дължина на вълната на лазера 10,6 um, което е един от най-ранните лазерни продукти, пуснати на пазара. Ранното лазерно заваряване се основава главно на лазер с въглероден диоксид, който в момента се използва главно за заваряване и рязане на неметални материали (тъкани, пластмаси, дърво и др.). Освен това се използва и при литографски машини. Лазерът с въглероден диоксид не може да се предава през оптични влакна и се движи през пространствени оптични пътища. Най-ранният Tongkuai е направен сравнително добре и е използвано много оборудване за рязане;
YAG (итриев алуминиев гранат) лазер: YAG кристали, легирани с неодимови (Nd) или итриеви (Yb) метални йони, се използват като среда за лазерно усилване с дължина на вълната на излъчване 1,06 um. YAG лазерът може да извежда по-високи импулси, но средната мощност е ниска, а пиковата мощност може да достигне 15 пъти средната мощност. Ако това е предимно импулсен лазер, не може да се постигне непрекъснат изход; Но може да се предава през оптични влакна и в същото време степента на абсорбция на металните материали се увеличава и започва да се прилага в материали с висока отразяваща способност, за първи път приложени в полето 3C;
Влакнест лазер: Настоящият масов поток на пазара използва влакна, легирани с итербий, като усилваща среда с дължина на вълната 1060 nm. Освен това се разделя на оптични и дискови лазери въз основа на формата на средата; Оптичното влакно представлява IPG, докато дискът представлява Tongkuai.
Полупроводников лазер: Усилващата среда е полупроводников PN преход, а дължината на вълната на полупроводниковия лазер е главно при 976 nm. Понастоящем полупроводниковите лазери в близката инфрачервена област се използват главно за облицовка със светлинни петна над 600 um. Laserline е представително предприятие за полупроводникови лазери.
Класифицирани според формата на енергийно действие: импулсен лазер (PULSE), квази непрекъснат лазер (QCW), непрекъснат лазер (CW)
Импулсен лазер: наносекунда, пикосекунда, фемтосекунда, този високочестотен импулсен лазер (ns, ширина на импулса) често може да постигне обработка с висока пикова енергия, висока честота (MHZ), използва се за обработка на тънки медни и алуминиеви различни материали, както и за почистване най-вече . Чрез използване на висока пикова енергия, той може бързо да разтопи основния материал, с кратко време на действие и малка зона, засегната от топлината. Има предимства при обработката на ултратънки материали (под 0,5 mm);
Квази непрекъснат лазер (QCW): Поради високата честота на повторение и ниския работен цикъл (под 50%), ширината на импулса наQCW лазердостига 50 us-50 ms, запълвайки празнината между киловатов лазер с непрекъснато влакно и Q-switched импулсен лазер; Пиковата мощност на лазер с квази непрекъснати влакна може да достигне 10 пъти средната мощност при работа в непрекъснат режим. QCW лазерите обикновено имат два режима, единият е непрекъснато заваряване при ниска мощност, а другият е импулсно лазерно заваряване с пикова мощност от 10 пъти средната мощност, което може да постигне по-дебели материали и повече топлина заваряване, като същевременно контролира топлината в рамките на много малък диапазон;
Непрекъснат лазер (CW): Това е най-често използваният и повечето от лазерите, които се виждат на пазара, са CW лазери, които непрекъснато излъчват лазер за обработка на заваряване. Влакнестите лазери се разделят на едномодови и многомодови лазери според различни диаметри на сърцевината и качество на лъча и могат да бъдат адаптирани към различни сценарии на приложение.
Време на публикуване: 20 декември 2023 г
