Принцип на лазерното генериране

Защо е необходимо 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 генериране на лазер, основната структура на лазерите и няколко често срещани типа лазери.

Първо, принципът на лазерно генериране

Лазерът се генерира чрез взаимодействието между светлината и материята, известно като усилване на стимулираното лъчение; Разбирането на усилването на стимулираното лъчение изисква разбиране на концепциите на Айнщайн за спонтанно излъчване, стимулирано поглъщане и стимулирано лъчение, както и някои необходими теоретични основи.

Теоретична основа 1: Модел на Бор

Моделът на Бор предоставя основно вътрешната структура на атомите, което улеснява разбирането как възникват лазерите. Атомът е съставен 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 електронът е в основно състояние, неговата енергия е най-ниска. Ако електронът излезе от орбита, той 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 възникне лазер, е, че в този модел електроните ще се движат в различни орбити. Ако електроните абсорбират енергия, те могат да преминат от основно състояние към възбудено 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: Теория за стимулираното лъчение на Айнщайн

През 1917 г. Айнщайн предлага теорията за стимулираното лъчение, която е теоретичната основа за лазерите и лазерното производство: абсорбцията или излъчването на материята е по същество резултат от взаимодействието между радиационното поле и частиците, които изграждат материята, а основната ѝ същност е преходът на частиците между различни енергийни нива. Съществуват три различни процеса във взаимодействието между светлината и материята: 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 на 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 спонтанните преходи, се наричат ​​спонтанно излъчване.

Характеристики на спонтанното излъчване: Всеки фотон е независим, с различни посоки и фази, а времето на възникване също е произволно. Той принадлежи към некохерентна и хаотична светлина, която не е светлината, необходима на лазера. Следователно, процесът на генериране на лазер трябва да намали този вид разсеяна светлина. Това е и една от причините, поради които дължината на вълната на различните лазери има разсеяна светлина. Ако се контролира добре, делът на спонтанното излъчване в лазера може да бъде пренебрегнат. Колкото по-чист е лазерът, например 1060 nm, толкова по-малко е 1060 nm. Този тип лазер има относително стабилна скорост на поглъщане и мощност.

Стимулирано усвояване:

Електроните на ниски енергийни нива (ниски орбитали), след като абсорбират фотони, преминават към по-високи енергийни нива (високи орбитали) и този процес се нарича стимулирана абсорбция. Стимулираната абсорбция е от решаващо значение и е един от ключовите процеси на изпомпване. Източникът на изпомпване 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 е облъчен от светлина с външна енергия (hv=E2-E1), електронът на високо енергийно ниво се възбужда от външния фотон и преминава на ниско енергийно ниво (високата орбита преминава към ниска орбита). В същото време той излъчва фотон, който е абсолютно същият като външния фотон. Този процес не абсорбира оригиналната възбуждаща светлина, така че ще има два еднакви фотона, което може да се разбира като изплюване на предварително абсорбирания фотон от електрона. Този процес на луминесценция се нарича стимулирано лъчение, което е обратен процес на стимулираното поглъщане.

След като теорията е изяснена, 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, а лазерът зависи от стимулирано лъчение. Следователно, структурата на лазера е да позволи първо стимулирано поглъщане, като доведе електроните до високо енергийно ниво, а след това осигури възбуждане, което ще предизвика стимулирано лъчение на голям брой електрони с високо енергийно ниво, освобождавайки фотони. От това може да се генерира лазер. След това ще представим структурата на лазера.

Лазерна структура:

Съпоставете едно по едно лазерната структура с условията за генериране на лазер, споменати по-рано:

Условие за възникване и съответна структура:

1. Има усилваща среда, която осигурява усилващ ефект като работна среда на лазера, а активираните ѝ частици имат структура на енергийни нива, подходяща за генериране на стимулирано лъчение (главно способни да изпомпват електрони към високоенергийни орбитали и да съществуват за определен период от време, а след това да освобождават фотони наведнъж чрез стимулирано лъчение);

2. Има външен източник на възбуждане (помпен източник), 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 например ксеноновата лампа в YAG лазерите;

3. Има резонансна кухина, която може да постигне лазерно трептене, да увеличи работната дължина на лазерния работен материал, да екранира светлинния вълнов режим, да контролира посоката на разпространение на лъча, селективно да усилва стимулираната честота на излъчване, за да подобри монохроматичността (като гарантира, че лазерът се извежда с определена енергия).

Съответната структура е показана на фигурата по-горе, която представлява опростена структура на YAG лазер. Други структури може да са по-сложни, но ядрото е следното. Процесът на генериране на лазер е показан на фигурата:

Класификация на лазерите: обикновено се класифицират по усилваща среда или по форма на лазерната енергия

Класификация на средното усилване:

Лазер с въглероден диоксидУсилващата среда на въглеродно-диоксидния лазер е хелий иCO2 лазер,с дължина на вълната на лазера 10,6 μm, което е един от най-ранните лазерни продукти, пуснати на пазара. Ранното лазерно заваряване се е основавало главно на въглероден диоксиден лазер, който в момента се използва главно за заваряване и рязане на неметални материали (тъкати, пластмаси, дърво и др.). Освен това се използва и в литографски машини. Въглеродният диоксиден лазер не може да се предава през оптични влакна и се движи по пространствени оптични пътища. Най-ранният Tongkuai е бил направен сравнително добре и е използвано много оборудване за рязане;

YAG (итриево-алуминиев гранат) лазер: YAG кристали, легирани с неодимови (Nd) или итриеви (Yb) метални йони, се използват като лазерна среда за усилване, с дължина на вълната на излъчване 1.06μm. YAG лазерът може да генерира по-високи импулси, но средната мощност е ниска, а пиковата мощност може да достигне 15 пъти средната мощност. Ако е предимно импулсен лазер, не може да се постигне непрекъсната мощност; Но може да се предава през оптични влакна, като същевременно се увеличава скоростта на поглъщане на метални материали и започва да се прилага във високоотражателни материали, като първоначално се прилага в 3C областта;

Влакнести лазери: В момента на пазара се използват влакна, легирани с итербий, като усилваща среда с дължина на вълната 1060 nm. В зависимост от формата на средата, те се разделят на влакнести и дискови лазери; Влакнестите лазери представляват IPG, а дисковите лазери - Tongkuai.

Полупроводников лазер: Усилващата среда е полупроводников PN преход, а дължината на вълната на полупроводниковия лазер е главно 976 nm. В момента полупроводниковите лазери в близката инфрачервена област се използват главно за облицоване, със светлинни петна над 600 μm. Laserline е представително предприятие за полупроводникови лазери.

Класифицирани по вид на енергийно действие: импулсен лазер (PULSE), квазинепрекъснат лазер (QCW), непрекъснат лазер (CW)

Импулсен лазер: наносекунден, пикосекунден, фемтосекунден. Този високочестотен импулсен лазер (ns, ширина на импулса) често може да постигне висока пикова енергия и високочестотна (MHZ) обработка. Използва се за обработка на тънки медни и алуминиеви разнородни материали, както и за почистване. Чрез използването на висока пикова енергия, той може бързо да разтопи основния материал, с кратко време на действие и малка зона на топлинно въздействие. Има предимства при обработката на ултратънки материали (под 0,5 мм);

Квазинепрекъснат лазер (QCW): Поради високата честота на повторение и ниския работен цикъл (под 50%), ширината на импулсаQCW лазердостига 50 мкс-50 мс, запълвайки празнината между непрекъснатия фибърен лазер на киловатово ниво и импулсния лазер с Q-превключване; Пиковата мощност на квазинепрекъснатия фибърен лазер може да достигне 10 пъти средната мощност при непрекъснат режим на работа. QCW лазерите обикновено имат два режима, единият е непрекъснато заваряване с ниска мощност, а другият е импулсно лазерно заваряване с пикова мощност 10 пъти средната мощност, което може да постигне по-дебели материали и по-голямо нагряване при заваряване, като същевременно контролира топлината в много малък диапазон;

Непрекъснат лазер (CW): Това е най-често използваният и повечето лазери, които се срещат на пазара, са CW лазери, които непрекъснато излъчват лазер за заваръчна обработка. Фибролазерите се разделят на едномодови и многомодови лазери според различните диаметри на сърцевината и качества на лъча и могат да бъдат адаптирани към различни сценарии на приложение.