Kenapa kita perlu tahu prinsip laser?
Mengetahui perbezaan antara laser semikonduktor biasa, gentian, cakera danlaser YAGjuga boleh membantu untuk mendapatkan pemahaman yang lebih baik dan terlibat dalam lebih banyak perbincangan semasa proses pemilihan.
Artikel ini memberi tumpuan terutamanya kepada sains popular: pengenalan ringkas kepada prinsip penjanaan laser, struktur utama laser, dan beberapa jenis laser biasa.
Pertama, prinsip penjanaan laser
Laser dihasilkan melalui interaksi antara cahaya dan jirim, yang dikenali sebagai penguatan sinaran yang dirangsang; Memahami penguatan sinaran yang dirangsang memerlukan pemahaman konsep Einstein tentang pelepasan spontan, penyerapan yang dirangsang, dan sinaran yang dirangsang, serta beberapa asas teori yang diperlukan.
Asas Teori 1: Model Bohr
Model Bohr terutamanya menyediakan struktur dalaman atom, menjadikannya mudah untuk memahami bagaimana laser berlaku. Atom terdiri daripada nukleus dan elektron di luar nukleus, dan orbital elektron tidak sewenang-wenangnya. Elektron hanya mempunyai orbital tertentu, antaranya orbital paling dalam dipanggil keadaan dasar; Jika elektron berada dalam keadaan dasar, tenaganya adalah yang paling rendah. Jika elektron melompat keluar dari orbit, ia dipanggil keadaan teruja pertama, dan tenaga keadaan teruja pertama akan lebih tinggi daripada keadaan dasar; Satu lagi orbit dipanggil keadaan teruja kedua;
Sebab mengapa laser boleh berlaku adalah kerana elektron akan bergerak dalam orbit yang berbeza dalam model ini. Jika elektron menyerap tenaga, ia boleh lari dari keadaan dasar ke keadaan teruja; Jika elektron kembali dari keadaan teruja ke keadaan dasar, ia akan membebaskan tenaga, yang sering dilepaskan dalam bentuk laser.
Asas Teori 2: Teori Sinaran Terrangsang Einstein
Pada tahun 1917, Einstein mencadangkan teori sinaran yang dirangsang, yang merupakan asas teori untuk laser dan pengeluaran laser: penyerapan atau pelepasan bahan pada dasarnya adalah hasil interaksi antara medan sinaran dan zarah yang membentuk jirim, dan terasnya. intipati ialah peralihan zarah antara tahap tenaga yang berbeza. Terdapat tiga proses berbeza dalam interaksi antara cahaya dan jirim: pelepasan spontan, pelepasan dirangsang, dan penyerapan dirangsang. Bagi sistem yang mengandungi sejumlah besar zarah, ketiga-tiga proses ini sentiasa wujud bersama dan berkait rapat.
Pelepasan spontan:
Seperti yang ditunjukkan dalam rajah: elektron pada tahap tenaga tinggi E2 secara spontan beralih ke tahap tenaga rendah E1 dan memancarkan foton dengan tenaga hv, dan hv=E2-E1; Proses peralihan spontan dan tidak berkaitan ini dipanggil peralihan spontan, dan gelombang cahaya yang dipancarkan oleh peralihan spontan dipanggil sinaran spontan.
Ciri-ciri pelepasan spontan: Setiap foton adalah bebas, dengan arah dan fasa yang berbeza, dan masa kejadian juga rawak. Ia tergolong dalam cahaya yang tidak koheren dan huru-hara, yang bukan cahaya yang diperlukan oleh laser. Oleh itu, proses penjanaan laser perlu mengurangkan jenis cahaya sesat ini. Ini juga merupakan salah satu sebab mengapa panjang gelombang pelbagai laser mempunyai cahaya sesat. Jika dikawal dengan baik, bahagian pelepasan spontan dalam laser boleh diabaikan. Lebih tulen laser, seperti 1060 nm, semuanya 1060 nm, Laser jenis ini mempunyai kadar penyerapan dan kuasa yang agak stabil.
Penyerapan yang dirangsang:
Elektron pada tahap tenaga rendah (orbital rendah), selepas menyerap foton, beralih ke tahap tenaga yang lebih tinggi (orbital tinggi), dan proses ini dipanggil penyerapan terstimulasi. Penyerapan yang dirangsang adalah penting dan salah satu proses pengepaman utama. Sumber pam laser membekalkan tenaga foton untuk menyebabkan zarah dalam medium perolehan beralih dan menunggu sinaran yang dirangsang pada tahap tenaga yang lebih tinggi, memancarkan laser.
Sinaran yang dirangsang:
Apabila disinari oleh cahaya tenaga luaran (hv=E2-E1), elektron pada tahap tenaga tinggi teruja oleh foton luaran dan melompat ke tahap tenaga rendah (orbit tinggi berjalan ke orbit rendah). Pada masa yang sama, ia mengeluarkan foton yang betul-betul sama dengan foton luaran. Proses ini tidak menyerap cahaya pengujaan asal, jadi akan ada dua foton yang sama, yang boleh difahami sebagai elektron memuntahkan foton yang diserap sebelum ini, Proses luminescence ini dipanggil sinaran terstimulasi, iaitu proses terbalik penyerapan rangsangan.
Selepas teori itu jelas, adalah sangat mudah untuk membina laser, seperti yang ditunjukkan dalam rajah di atas: dalam keadaan normal kestabilan bahan, sebahagian besar elektron berada dalam keadaan dasar, elektron dalam keadaan dasar, dan laser bergantung kepada sinaran yang dirangsang. Oleh itu, struktur laser adalah untuk membolehkan penyerapan yang dirangsang berlaku terlebih dahulu, membawa elektron ke tahap tenaga yang tinggi, dan kemudian memberikan pengujaan untuk menyebabkan sejumlah besar elektron tahap tenaga tinggi menjalani sinaran yang dirangsang, melepaskan foton, Daripada ini, laser boleh dihasilkan. Seterusnya, kami akan memperkenalkan struktur laser.
Struktur laser:
Padankan struktur laser dengan keadaan penjanaan laser yang dinyatakan sebelum ini satu persatu:
Keadaan kejadian dan struktur yang sepadan:
1. Terdapat medium perolehan yang memberikan kesan penguatan sebagai medium kerja laser, dan zarah yang diaktifkan mempunyai struktur tahap tenaga yang sesuai untuk menjana sinaran yang dirangsang (terutamanya dapat mengepam elektron ke orbital bertenaga tinggi dan wujud untuk tempoh masa tertentu , dan kemudian melepaskan foton dalam satu nafas melalui sinaran yang dirangsang);
2. Terdapat sumber pengujaan luaran (sumber pam) yang boleh mengepam elektron dari paras bawah ke paras atas, menyebabkan penyongsangan nombor zarah antara paras atas dan bawah laser (iaitu, apabila terdapat lebih banyak zarah tenaga tinggi daripada zarah tenaga rendah), seperti lampu xenon dalam laser YAG;
3. Terdapat rongga resonan yang boleh mencapai ayunan laser, meningkatkan panjang kerja bahan kerja laser, menyaring mod gelombang cahaya, mengawal arah perambatan rasuk, secara selektif menguatkan frekuensi sinaran yang dirangsang untuk meningkatkan monokromatik (memastikan bahawa laser dikeluarkan pada tenaga tertentu).
Struktur yang sepadan ditunjukkan dalam rajah di atas, yang merupakan struktur ringkas laser YAG. Struktur lain mungkin lebih kompleks, tetapi intinya adalah ini. Proses penjanaan laser ditunjukkan dalam rajah:
Klasifikasi laser: secara amnya dikelaskan oleh medium perolehan atau oleh bentuk tenaga laser
Dapatkan klasifikasi sederhana:
Laser karbon dioksida: Media perolehan laser karbon dioksida ialah helium danlaser CO2,dengan panjang gelombang laser 10.6um, yang merupakan salah satu produk laser terawal yang akan dilancarkan. Kimpalan laser awal terutamanya berdasarkan laser karbon dioksida, yang pada masa ini digunakan terutamanya untuk mengimpal dan memotong bahan bukan logam (kain, plastik, kayu, dll.). Selain itu, ia juga digunakan pada mesin litografi. Laser karbon dioksida tidak boleh dihantar melalui gentian optik dan bergerak melalui laluan optik spatial, Tongkuai terawal dilakukan dengan agak baik, dan banyak peralatan pemotongan digunakan;
Laser YAG (yttrium aluminium garnet): Kristal YAG yang didopkan dengan ion logam neodymium (Nd) atau yttrium (Yb) digunakan sebagai medium perolehan laser, dengan panjang gelombang pelepasan 1.06um. Laser YAG boleh mengeluarkan denyutan yang lebih tinggi, tetapi kuasa purata adalah rendah, dan kuasa puncak boleh mencapai 15 kali ganda kuasa purata. Jika ia adalah terutamanya laser nadi, output berterusan tidak boleh dicapai; Tetapi ia boleh dihantar melalui gentian optik, dan pada masa yang sama, kadar penyerapan bahan logam meningkat, dan ia mula digunakan dalam bahan pemantulan tinggi, pertama kali digunakan dalam medan 3C;
Laser gentian: Aliran perdana semasa dalam pasaran menggunakan gentian doped ytterbium sebagai medium perolehan, dengan panjang gelombang 1060nm. Ia dibahagikan lagi kepada laser gentian dan cakera berdasarkan bentuk medium; Gentian optik mewakili IPG, manakala cakera mewakili Tongkuai.
Laser semikonduktor: Medium keuntungan ialah simpang PN semikonduktor, dan panjang gelombang laser semikonduktor adalah terutamanya pada 976nm. Pada masa ini, laser hampir inframerah semikonduktor digunakan terutamanya untuk pelapisan, dengan bintik cahaya melebihi 600um. Laserline ialah syarikat perwakilan laser semikonduktor.
Dikelaskan mengikut bentuk tindakan tenaga: Laser nadi (PULSE), laser separa berterusan (QCW), laser berterusan (CW)
Laser nadi: nanosaat, picosaat, femtosaat, laser nadi frekuensi tinggi ini (ns, lebar nadi) selalunya boleh mencapai tenaga puncak yang tinggi, pemprosesan frekuensi tinggi (MHZ), digunakan untuk memproses bahan berbeza tembaga dan aluminium nipis, serta pembersihan kebanyakannya . Dengan menggunakan tenaga puncak yang tinggi, ia boleh mencairkan bahan asas dengan cepat, dengan masa tindakan yang rendah dan zon terjejas haba yang kecil. Ia mempunyai kelebihan dalam memproses bahan ultra nipis (di bawah 0.5mm);
Laser separa berterusan (QCW): Disebabkan kadar pengulangan yang tinggi dan kitaran tugas yang rendah (di bawah 50%), lebar nadiLaser QCWmencapai 50 us-50 ms, mengisi jurang antara laser gentian berterusan tahap kilowatt dan laser denyut Q-switched; Kuasa puncak laser gentian separa berterusan boleh mencapai 10 kali ganda kuasa purata di bawah operasi mod berterusan. Laser QCW umumnya mempunyai dua mod, satu kimpalan berterusan pada kuasa rendah, dan satu lagi kimpalan laser berdenyut dengan kuasa puncak 10 kali ganda kuasa purata, yang boleh mencapai bahan yang lebih tebal dan lebih banyak kimpalan haba, sambil juga mengawal haba dalam julat yang sangat kecil;
Laser Berterusan (CW): Ini adalah yang paling biasa digunakan, dan kebanyakan laser yang dilihat di pasaran ialah laser CW yang mengeluarkan laser secara berterusan untuk pemprosesan kimpalan. Laser gentian dibahagikan kepada laser mod tunggal dan berbilang mod mengikut diameter teras dan kualiti rasuk yang berbeza, dan boleh disesuaikan dengan senario aplikasi yang berbeza.
Masa siaran: Dis-20-2023
