Miks me peame teadma laserite põhimõtet?
Teades erinevusi levinud pooljuhtlaserite, kiudude, ketaste jaYAG laservõib samuti aidata valikuprotsessi ajal paremini mõista ja osaleda rohkem aruteludes.
Artikkel keskendub peamiselt populaarteaduslikule teemale: lühitutvustus lasergenereerimise põhimõttest, laserite põhistruktuurist ja mitmetest levinumate laseritüüpidest.
Esiteks lasergenereerimise põhimõte
Laser tekib valguse ja aine vahelise vastasmõju kaudu, mida nimetatakse stimuleeritud kiirguse võimendamiseks; Stimuleeritud kiirguse võimenduse mõistmiseks on vaja mõista Einsteini spontaanse emissiooni, stimuleeritud neeldumise ja stimuleeritud kiirguse kontseptsioone, samuti mõningaid vajalikke teoreetilisi aluseid.
Teoreetiline alus 1: Bohri mudel
Bohri mudel pakub peamiselt aatomite sisemist struktuuri, mis muudab laserite tekkimise lihtsaks mõistmise. Aatom koosneb tuumast ja tuumast väljaspool asuvatest elektronidest ning elektronide orbitaalid ei ole suvalised. Elektronidel on ainult teatud orbitaalid, mille hulgas kõige sisemist orbitaali nimetatakse põhiolekuks; Kui elektron on põhiolekus, on selle energia madalaim. Kui elektron hüppab orbiidilt välja, nimetatakse seda esimeseks ergastatud olekuks ja esimese ergastatud oleku energia on suurem kui põhioleku energia; Teist orbiiti nimetatakse teiseks ergastatud olekuks;
Laser võib tekkida, kuna elektronid liiguvad selles mudelis erinevatel orbiitidel. Kui elektronid neelavad energiat, võivad nad kulgeda põhiolekust ergastatud olekusse; Kui elektron naaseb ergastatud olekust põhiolekusse, vabastab ta energiat, mis sageli vabaneb laseri kujul.
2. teoreetiline alus: Einsteini stimuleeritud kiirguse teooria
1917. aastal pakkus Einstein välja stimuleeritud kiirguse teooria, mis on laserite ja laseri tootmise teoreetiline alus: aine neeldumine või emissioon on sisuliselt kiirgusvälja ja ainet moodustavate osakeste ning selle tuuma koostoime tulemus. olemus on osakeste üleminek erinevate energiatasemete vahel. Valguse ja aine vastastikmõjus on kolm erinevat protsessi: spontaanne emissioon, stimuleeritud emissioon ja stimuleeritud neeldumine. Süsteemi puhul, mis sisaldab suurt hulka osakesi, eksisteerivad need kolm protsessi alati koos ja on omavahel tihedalt seotud.
Spontaanne emissioon:
Nagu on näidatud joonisel: elektron kõrgel energiatasemel E2 läheb spontaanselt üle madala energiatasemele E1 ja kiirgab footoni energiaga hv ja hv=E2-E1; Seda spontaanset ja mitteseotud üleminekuprotsessi nimetatakse spontaanseks üleminekuks ja spontaansetest üleminekutest kiirgavaid valguslaineid nimetatakse spontaanseks kiirguseks.
Spontaanse emissiooni tunnused: Iga footon on sõltumatu, erineva suuna ja faasiga ning esinemisaeg on samuti juhuslik. See kuulub ebajärjekindla ja kaootilise valguse hulka, mis ei ole laseri jaoks vajalik valgus. Seetõttu peab lasergenereerimisprotsess seda tüüpi hajuvat valgust vähendama. See on ka üks põhjusi, miks erinevate laserite lainepikkusel on hajuv valgus. Hea kontrolli korral võib spontaanse emissiooni osakaalu laseris ignoreerida. Mida puhtam on laser, näiteks 1060 nm, seda kõik on 1060 nm. Seda tüüpi laseritel on suhteliselt stabiilne neeldumiskiirus ja võimsus.
Stimuleeritud imendumine:
Madala energiatasemega (madalad orbitaalid) elektronid lähevad pärast footonite neelamist üle kõrgematele energiatasemetele (kõrgetele orbitaalidele) ja seda protsessi nimetatakse stimuleeritud neeldumiseks. Stimuleeritud imendumine on ülioluline ja üks peamisi pumpamisprotsesse. Laseri pumbaallikas annab footonenergiat, et põhjustada võimenduskeskkonnas olevate osakeste üleminekut ja oodata kõrgema energiatasemega stimuleeritud kiirgust, mis kiirgab laserit.
Stimuleeritud kiirgus:
Kiiritades välisenergia valgusega (hv=E2-E1), ergastab kõrgel energiatasemel elektron välise footoni poolt ja hüppab madalale energiatasemele (kõrge orbiit jookseb madalale). Samal ajal kiirgab see footoni, mis on täpselt sama, mis väline footon. See protsess ei neela algset ergastusvalgust, seega on kaks identset footonit, mida võib mõista nii, et elektron sülitab välja varem neeldunud footoni. Seda luminestsentsprotsessi nimetatakse stimuleeritud kiirguseks, mis on stimuleeritud neeldumise vastupidine protsess.
Kui teooria on selge, on laserit väga lihtne ehitada, nagu on näidatud ülaltoodud joonisel: tavalistes materjali stabiilsuse tingimustes on valdav enamus elektrone põhiolekus, elektronid põhiolekus ja laser sõltub stimuleeritud kiirgus. Seetõttu peab laseri struktuur võimaldama esmalt stimuleeritud absorptsiooni, viies elektronid kõrgele energiatasemele ja seejärel ergastuse, et panna suur hulk kõrge energiatasemega elektrone läbima stimuleeritud kiirgust, vabastades footonid. laserit saab genereerida. Järgmisena tutvustame laserstruktuuri.
Laseri struktuur:
Sobitage laseri struktuur ükshaaval varem mainitud laseri genereerimise tingimustega:
Esinemise tingimus ja vastav struktuur:
1. Laseri töökeskkonnana on võimenduskeskkond, mis annab võimendusefekti ja selle aktiveeritud osakeste energiataseme struktuur sobib stimuleeritud kiirguse tekitamiseks (peamiselt võimeline pumpama elektrone suure energiaga orbitaalidele ja eksisteerima teatud aja jooksul ja seejärel vabastada footonid ühe hingetõmbega stimuleeritud kiirguse kaudu);
2. On olemas väline ergastusallikas (pumbaallikas), mis suudab pumbata elektrone alumiselt tasemelt ülemisele tasemele, põhjustades osakeste arvu inversiooni laseri ülemise ja alumise taseme vahel (st kui suure energiaga osakesi on rohkem kui madala energiatarbega osakesed), näiteks YAG laserite ksenoonlamp;
3. Seal on resonantsõõnsus, mis võimaldab saavutada laservõnkumist, suurendada laseri töömaterjali tööpikkust, ekraanil valguslaine režiimi, juhtida kiire levimissuunda, selektiivselt võimendada stimuleeritud kiirguse sagedust, et parandada monokromaatilisust (tagades, et laser väljastatakse teatud energiaga).
Vastav struktuur on näidatud ülaltoodud joonisel, mis on YAG laseri lihtne struktuur. Teised struktuurid võivad olla keerulisemad, kuid põhiline on see. Laseri genereerimise protsess on näidatud joonisel:
Laseri klassifikatsioon: üldiselt liigitatakse võimenduskeskkonna või laserenergia vormi järgi
Hankige keskmine klassifikatsioon:
Süsinikdioksiidi laser: Süsinikdioksiidlaseri võimenduskeskkonnaks on heelium jaCO2 laser,laseri lainepikkusega 10,6 um, mis on üks varasemaid turule toodud lasertooteid. Varajane laserkeevitus põhines peamiselt süsihappegaaslaseril, mida praegu kasutatakse peamiselt mittemetalliliste materjalide (kangad, plastikud, puit jne) keevitamiseks ja lõikamiseks. Lisaks kasutatakse seda ka litograafiamasinatel. Süsinikdioksiidlaserit ei saa edastada läbi optiliste kiudude ja see liigub läbi ruumiliste optiliste radade. Varaseim Tongkuai tehti suhteliselt hästi ja kasutati palju lõikeseadmeid;
YAG (ütriumalumiiniumgranaat) laser: laseri võimenduskeskkonnana kasutatakse neodüümi (Nd) või ütriumi (Yb) metalliioonidega legeeritud YAG-kristalle, mille emissiooni lainepikkus on 1,06 um. YAG-laser suudab väljastada suuremaid impulsse, kuid keskmine võimsus on madal ja tippvõimsus võib ulatuda 15-kordseks keskmisest võimsusest. Kui tegemist on peamiselt impulsslaseriga, ei saa pidevat väljundit saavutada; Kuid seda saab edastada optiliste kiudude kaudu ja samal ajal suureneb metallmaterjalide neeldumiskiirus ja seda hakatakse kasutama suure peegeldusvõimega materjalides, mida kasutatakse esmakordselt 3C väljas;
Kiudlaser: praegune turu põhivool kasutab võimenduskeskkonnana ytterbiumiga legeeritud kiudu, mille lainepikkus on 1060 nm. See jaguneb kandja kuju alusel veel fiiber- ja ketaslaseriteks; Fiiberoptika tähistab IPG-d, ketas aga Tongkuaid.
Pooljuhtlaser: võimenduskeskkond on pooljuht-PN-ristmik ja pooljuhtlaseri lainepikkus on peamiselt 976 nm. Praegu kasutatakse pooljuhtide lähiinfrapuna lasereid peamiselt katteks, valgustäppidega üle 600 um. Laserline on pooljuhtlaserite esindusettevõte.
Liigitatud energia toime vormi järgi: impulsslaser (PULSE), kvaasipidev laser (QCW), pidev laser (CW)
Impulsslaser: nanosekund, pikosekund, femtosekund, see kõrgsageduslik impulsslaser (ns, impulsi laius) võib sageli saavutada kõrge tippenergia, kõrgsagedusliku (MHZ) töötlemise, kasutatakse õhukeste vasest ja alumiiniumist erinevate materjalide töötlemiseks, samuti enamasti puhastamiseks . Kasutades kõrget tippenergiat, võib see alusmaterjali kiiresti sulatada, madala toimeajaga ja väikese kuumuse mõjualaga. Sellel on eelised üliõhukeste materjalide töötlemisel (alla 0,5 mm);
Kvaasipidev laser (QCW): suure kordussageduse ja madala töötsükli (alla 50%) tõttu on impulsi laiusQCW laserjõuab 50 us-50 ms, täites tühimiku kilovatitasemel pideva kiudlaseri ja Q-lülitusega impulsslaseri vahel; Peaaegu pideva kiudlaseri tippvõimsus võib ulatuda 10 korda keskmisest võimsusest pidevas töörežiimis. QCW laseritel on tavaliselt kaks režiimi, üks on pidev keevitamine väikese võimsusega ja teine on impulsslaserkeevitus, mille tippvõimsus on 10 korda suurem keskmisest võimsusest, mis võimaldab saavutada paksemaid materjale ja rohkem kuumusega keevitamist, kontrollides samal ajal ka kuumust väga väike ulatus;
Pidev laser (CW): see on kõige sagedamini kasutatav ja enamik turul nähtavaid lasereid on CW laserid, mis annavad keevitamiseks pidevalt laserit. Kiudlaserid jagunevad ühe- ja mitmerežiimilisteks laseriteks vastavalt erinevatele südamiku läbimõõtudele ja kiire kvaliteedile ning neid saab kohandada erinevate rakendusstsenaariumitega.
Postitusaeg: 20. detsember 2023
