Laseri genereerimise põhimõte

Miks me peame teadma laserite põhimõtet?

Teades erinevusi tavaliste pooljuhtlaserite, kiudude, ketaste jaYAG-laservõib aidata ka valikuprotsessist paremini aru saada ja selle käigus rohkem aruteludes osaleda.

Artikkel keskendub peamiselt populaarteadusele: lühike sissejuhatus laserkiire genereerimise põhimõtese, laserite põhistruktuuri ja mitmesse levinumasse laseritüüpi.

Esiteks laseri genereerimise põhimõte

Laser tekib valguse ja aine vastastikmõjul, mida nimetatakse stimuleeritud kiirguse võimenduseks; 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 annab peamiselt aatomite sisemise struktuuri, mistõttu on laserite tekkepõhjustest lihtne aru saada. Aatom koosneb tuumast ja väljaspool tuuma asuvatest elektronidest ning elektronide orbitaalid ei ole suvalised. Elektronidel on ainult teatud orbitaalid, mille hulgast sisemist orbitaali nimetatakse põhiolekuks; kui elektron on põhiolekus, on tema energia madalaim. Kui elektron hüppab orbiidilt välja, nimetatakse seda esimeseks ergastatud olekuks ja esimese ergastatud oleku energia on kõrgem kui põhiolekul; teist orbiiti nimetatakse teiseks ergastatud olekuks;

Laseri tekkimise põhjus on see, et selles mudelis liiguvad elektronid erinevatel orbiitidel. Kui elektronid neelavad energiat, saavad nad liikuda põhiolekust ergastatud olekusse; kui elektron naaseb ergastatud olekust põhiolekusse, vabastab ta energiat, mis vabaneb sageli laseri kujul.

Teoreetiline alus 2: Einsteini stimuleeritud kiirguse teooria

1917. aastal pakkus Einstein välja stimuleeritud kiirguse teooria, mis on laserite ja laserkiirete teoreetiliseks aluseks: aine neeldumine või emissioon on sisuliselt kiirgusvälja ja ainet moodustavate osakeste vastastikmõju tulemus ning selle põhiolemus on osakeste üleminek erinevate energiatasemete vahel. Valguse ja aine vastastikmõjus on kolm erinevat protsessi: spontaanne emissioon, stimuleeritud emissioon ja stimuleeritud neeldumine. Suure hulga osakestega süsteemis esinevad need kolm protsessi alati koos ja on omavahel tihedalt seotud.

Spontaanne emissioon:

Nagu joonisel näidatud: kõrge energiatasemel E2 olev elektron läheb spontaanselt üle madala energiatasemele E1 ja kiirgab footoni energiaga hv ja hv = E2 - E1; Seda spontaanset ja omavahel mitteseotud üleminekuprotsessi nimetatakse spontaanseks üleminekuks ning spontaansete üleminekute käigus kiirgavaid valguslaineid nimetatakse spontaanseks kiirguseks.

Spontaanse emissiooni omadused: iga footon on iseseisev, erinevate suundade ja faasidega ning esinemisaeg on samuti juhuslik. See kuulub mittekoherentse ja kaootilise valguse hulka, mida laser ei vaja. Seetõttu peab laseri genereerimisprotsess seda tüüpi hajavalgust vähendama. See on ka üks põhjusi, miks erinevate laserite lainepikkusel on hajavalgust. Hea kontrolli korral saab laseri spontaanse emissiooni osakaalu ignoreerida. Mida puhtam on laser, näiteks 1060 nm, seda suurem on 1060 nm lainepikkus. Seda tüüpi laseril on suhteliselt stabiilne neeldumiskiirus ja võimsus.

Stimuleeritud imendumine:

Madala energiatasemega (madalatel orbitaalidel) elektronid pärast footonite neeldumist lähevad üle kõrgematele energiatasemetele (kõrgetele orbitaalidele) ja seda protsessi nimetatakse stimuleeritud neeldumiseks. Stimuleeritud neeldumine on ülioluline ja üks peamisi pumpamisprotsesse. Laseri pumpallikas annab footonienergiat, et panna võimenduskeskkonnas olevad osakesed üleminekule ja ootama stimuleeritud kiirgust kõrgema energiatasemega, kiirates laserit.

Stimuleeritud kiirgus:

Välise energiaga (hv=E2-E1) kiiritamisel ergastab kõrge energiatasemega elektroni väline footon ja see liigub madala energiatasemega elektroni (kõrge orbiit liigub madalale orbiidile). Samal ajal kiirgab see täpselt sama energiatasemega footoni kui väline footon. See protsess ei neela algset ergastusvalgust, seega tekib kaks identset footonit, mida võib mõista nii, et elektron eraldab eelnevalt neeldunud footoni. Seda luminestsentsprotsessi nimetatakse stimuleeritud kiirguseks ja see on stimuleeritud neeldumise pöördprotsess.

Pärast teooria selgitamist on laseri ehitamine väga lihtne, nagu ülaltoodud joonisel näidatud: materjali stabiilsuse normaalsetes tingimustes on valdav enamus elektrone põhiolekus, elektronid on põhiolekus ja laser sõltub stimuleeritud kiirgusest. Seetõttu on laseri struktuur selline, et see võimaldaks esmalt stimuleeritud neeldumist, viies elektronid kõrgele energiatasemele ja seejärel tekitades ergastuse, mis paneb suure hulga kõrge energiatasemega elektrone läbima stimuleeritud kiirguse, vabastades footoneid. Sellest saab genereerida laseri. Järgmisena tutvustame laseri struktuuri.

Laseri struktuur:

Ühenda laserstruktuur eelnevalt mainitud laserkiire genereerimise tingimustega ükshaaval:

Esinemistingimus ja vastav struktuur:

1. Laseri töökeskkonnana on olemas võimenduskeskkond, mis pakub võimendusefekti ja mille aktiveeritud osakestel on stimuleeritud kiirguse tekitamiseks sobiv energiataseme struktuur (peamiselt suudavad nad elektrone pumbata kõrge energiaga orbitaalidele ja eksisteerida teatud aja jooksul ning seejärel stimuleeritud kiirguse kaudu ühe hingetõmbega footoneid vabastada);

2. On olemas väline ergastusallikas (pumbaallikas), mis suudab elektrone madalamalt tasemelt ülemisele tasemele pumbata, põhjustades osakeste arvu inversiooni laseri ülemise ja alumise taseme vahel (st kui kõrge energiaga osakesi on rohkem kui madala energiaga osakesi), näiteks YAG-laserite ksenoonlamp;

3. Seal on resonantsüvend, mis suudab saavutada laseri võnkumise, suurendada laseri töömaterjali tööpikkust, varjata valguslaine režiimi, juhtida kiire levimissuunda ja võimendada stimuleeritud kiirgussagedust valikuliselt monokromaatilisuse parandamiseks (tagades, et laser väljastatakse teatud energiaga).

Vastav struktuur on näidatud ülaltoodud joonisel, mis on YAG-laseri lihtne struktuur. Teised struktuurid võivad olla keerukamad, kuid tuum on see. Laseri genereerimisprotsess on näidatud joonisel:

Laseri klassifikatsioon: üldiselt klassifitseeritakse võimenduskeskkonna või laserenergia vormi järgi

Keskmise klassifikatsiooni saamine:

SüsinikdioksiidlaserSüsinikdioksiidlaseri võimenduskeskkond on heelium jaCO2 laser,10,6 μm laserlainepikkusega, mis on üks esimesi turule toodud lasertooteid. Varajane laserkeevitus põhines peamiselt süsinikdioksiidlaseril, mida praegu kasutatakse peamiselt mittemetalliliste materjalide (kangad, plast, puit jne) keevitamiseks ja lõikamiseks. Lisaks kasutatakse seda ka litograafiamasinates. Süsinikdioksiidlaserit ei saa edastada optiliste kiudude kaudu ja see liigub ruumiliste optiliste radade kaudu. Varaseim Tongkuai oli suhteliselt hästi tehtud ja kasutati palju lõikeseadmeid;

YAG (ütriumalumiiniumgranaat) laser: Laseri võimenduskeskkonnana kasutatakse neodüümi (Nd) või ütriumi (Yb) metalliioonidega legeeritud YAG-kristalle, mille emissioonlainepikkus on 1,06 μm. YAG-laser suudab väljastada suuremaid impulsse, kuid keskmine võimsus on madal ja tippvõimsus võib ulatuda 15 korda keskmisest võimsusest. Kui tegemist on peamiselt impulsslaseriga, ei ole pidevat väljundit võimalik saavutada. Kuid seda saab edastada optiliste kiudude kaudu ja samal ajal suureneb metallmaterjalide neeldumiskiirus ning seda hakatakse kasutama suure peegeldusvõimega materjalides, esmakordselt 3C-väljal.

Kiudlaser: Turul praegu põhiliselt kasutatakse võimenduskeskkonnana ytterbiumiga legeeritud kiudu lainepikkusega 1060 nm. Keskkonna kuju põhjal jaotatakse see omakorda kiud- ja ketaslaseriteks; kiudoptiline laser tähistab IPG-d ja ketaslaserid Tongkuai-d.

Pooljuhtlaser: võimenduskeskkond on pooljuht-PN-siire ja pooljuhtlaseri lainepikkus on peamiselt 976 nm. Praegu kasutatakse pooljuht-lähiinfrapunalasereid peamiselt plakeerimiseks, valguslaikude laigud on üle 600 μm. Laserline on pooljuhtlaserite esindusettevõte.

Liigitatakse energia toime vormi järgi: impulsslaser (PULSE), peaaegu pidevlaser (QCW), pidevlaser (CW)

Impulsslaser: nanosekundiline, pikosekundiline, femtosekundiline – see kõrgsageduslik impulsslaser (ns, impulsi laius) saavutab sageli suure tippenergia ja kõrgsagedusliku (MHZ) töötlemise ning seda kasutatakse õhukeste vase ja alumiiniumi sarnaste materjalide töötlemiseks, aga ka peamiselt puhastamiseks. Tänu suurele tippenergiale sulatab see alusmaterjali kiiresti, lühikese toimeajaga ja väikese kuummõjutsooniga. Sellel on eelised üliõhukeste materjalide (alla 0,5 mm) töötlemisel.

Kvaasipidev laser (QCW): Tänu suurele kordumissagedusele ja madalale töötsüklile (alla 50%) on impulsi laiusQCW-lasersaavutab 50 μs-50 ms, täites tühimiku kilovatise võimsusega pideva kiudlaseri ja Q-lülitatava impulsslaseri vahel; peaaegu pideva kiudlaseri tippvõimsus võib pideva töörežiimi korral ulatuda 10 korda keskmisest võimsusest. QCW-laseritel on üldiselt kaks režiimi: üks on pidev keevitamine madalal võimsusel ja teine ​​on impulsslaserkeevitus tippvõimsusega 10 korda keskmisest võimsusest, mis võimaldab saavutada paksemaid materjale ja suuremat kuumkeevitust, kontrollides samal ajal kuumust väga väikeses vahemikus;

Pidevlaser (CW): See on kõige sagedamini kasutatav ja enamik turul olevatest laseritest on CW-laserid, mis pidevalt väljastavad laserit keevitamiseks. Kiudlaserid jagunevad ühemoodilisteks ja mitmemoodilisteks laseriteks vastavalt erinevatele südamiku läbimõõtudele ja kiire omadustele ning neid saab kohandada erinevateks rakendusolukordadeks.