Prinsip Penjanaan Laser

Mengapakah kita perlu mengetahui 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 yang biasa.

Pertama, prinsip penjanaan laser

Laser dijana melalui interaksi antara cahaya dan jirim, yang dikenali sebagai penguatan sinaran terangsang; Memahami penguatan sinaran terangsang memerlukan pemahaman konsep Einstein tentang pancaran spontan, penyerapan terangsang dan sinaran terangsang, 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 sembarangan. Elektron hanya mempunyai orbital tertentu, antaranya orbital paling dalam dipanggil keadaan dasar; Jika elektron berada dalam keadaan dasar, tenaganya adalah yang terendah. Jika elektron melompat keluar dari orbit, ia dipanggil keadaan teruja pertama, dan tenaga keadaan teruja pertama akan lebih tinggi daripada keadaan dasar; Orbit lain 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 berlari dari keadaan dasar ke keadaan teruja; Jika elektron kembali dari keadaan teruja ke keadaan dasar, ia akan membebaskan tenaga, yang selalunya dilepaskan dalam bentuk laser.

Asas Teori 2: Teori Sinaran Rangsangan Einstein

Pada tahun 1917, Einstein mencadangkan teori sinaran terangsang, yang merupakan asas teori untuk laser dan penghasilan laser: penyerapan atau pancaran jirim pada asasnya adalah hasil interaksi antara medan sinaran dan zarah yang membentuk jirim, dan intipati terasnya ialah peralihan zarah antara tahap tenaga yang berbeza. Terdapat tiga proses berbeza dalam interaksi antara cahaya dan jirim: pancaran spontan, pancaran terangsang, dan penyerapan terangsang. Bagi sistem yang mengandungi sebilangan besar zarah, ketiga-tiga proses ini sentiasa wujud bersama dan berkait rapat.

Pelepasan spontan:

Seperti yang ditunjukkan dalam rajah: elektron pada aras tenaga tinggi E2 secara spontan beralih ke aras 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 pancaran 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, perkadaran pancaran spontan dalam laser boleh diabaikan. Semakin tulen laser, seperti 1060 nm, semuanya adalah 1060 nm. Laser jenis ini mempunyai kadar dan kuasa penyerapan yang agak stabil.

Penyerapan yang dirangsang:

Elektron pada aras tenaga rendah (orbital rendah), selepas menyerap foton, beralih ke aras tenaga yang lebih tinggi (orbital tinggi), dan proses ini dipanggil penyerapan terangsang. Penyerapan terangsang adalah penting dan salah satu proses pengepaman utama. Sumber pam laser menyediakan tenaga foton untuk menyebabkan zarah dalam medium gandaan beralih dan menunggu sinaran terangsang pada aras tenaga yang lebih tinggi, lalu memancarkan laser.

Sinaran yang dirangsang:

Apabila disinari oleh cahaya tenaga luaran (hv=E2-E1), elektron pada aras tenaga tinggi teruja oleh foton luaran dan melompat ke aras tenaga rendah (orbit tinggi menuju ke orbit rendah). Pada masa yang sama, ia memancarkan foton yang sama persis dengan foton luaran. Proses ini tidak menyerap cahaya pengujaan asal, jadi akan terdapat dua foton yang sama, yang boleh difahami sebagai elektron meludahkan foton yang diserap sebelum ini. Proses pendarkilauan ini dipanggil sinaran terangsang, yang merupakan proses terbalik bagi penyerapan terangsang.

Selepas teori ini jelas, adalah sangat mudah untuk membina laser, seperti yang ditunjukkan dalam rajah di atas: di bawah keadaan kestabilan bahan yang normal, sebahagian besar elektron berada dalam keadaan dasar, elektron dalam keadaan dasar, dan laser bergantung pada 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 sebilangan besar elektron tahap tenaga yang tinggi menjalani sinaran yang dirangsang, melepaskan foton. Daripada ini, laser boleh dijana. Seterusnya, kita 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 penguatan yang memberikan kesan penguatan sebagai medium kerja laser, dan zarahnya yang diaktifkan mempunyai struktur aras tenaga yang sesuai untuk menghasilkan sinaran terangsang (terutamanya mampu mengepam elektron ke orbital bertenaga tinggi dan wujud untuk tempoh masa tertentu, dan kemudian melepaskan foton dalam satu nafas melalui sinaran terangsang);

2. Terdapat sumber pengujaan luaran (sumber pam) yang boleh mengepam elektron dari aras bawah ke aras atas, menyebabkan penyongsangan nombor zarah antara aras atas dan bawah laser (iaitu, apabila terdapat lebih banyak zarah bertenaga tinggi daripada zarah bertenaga 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 pancaran, secara selektif menguatkan frekuensi sinaran yang dirangsang untuk meningkatkan monokromatik (memastikan 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 terasnya adalah ini. Proses penjanaan laser ditunjukkan dalam rajah:

Pengelasan laser: secara amnya dikelaskan mengikut medium gandaan atau mengikut bentuk tenaga laser

Klasifikasi sederhana keuntungan:

Laser karbon dioksidaMedium penguatan laser karbon dioksida ialah helium danLaser CO2,dengan panjang gelombang laser 10.6um, yang merupakan salah satu produk laser terawal yang dilancarkan. Kimpalan laser awal terutamanya berdasarkan laser karbon dioksida, yang kini digunakan terutamanya untuk mengimpal dan memotong bahan bukan logam (fabrik, plastik, kayu, dll.). Di samping itu, ia juga digunakan pada mesin litografi. Laser karbon dioksida tidak boleh dihantar melalui gentian optik dan bergerak melalui laluan optik ruang. Tongkuai terawal dilakukan dengan agak baik, dan banyak peralatan pemotongan telah digunakan;

Laser YAG (itrium aluminium garnet): Kristal YAG yang didop dengan ion logam neodymium (Nd) atau itrium (Yb) digunakan sebagai medium penguatan laser, dengan panjang gelombang pancaran 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 terutamanya laser denyut, output berterusan tidak dapat 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: Arus perdana semasa di pasaran menggunakan gentian terdop ytterbium sebagai medium gandaan, 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 gandaan ialah simpang PN semikonduktor, dan panjang gelombang laser semikonduktor terutamanya pada 976nm. Pada masa ini, laser inframerah dekat semikonduktor terutamanya digunakan untuk pelapisan, dengan bintik cahaya melebihi 600um. Laserline ialah perusahaan perwakilan laser semikonduktor.

Dikelaskan mengikut bentuk tindakan tenaga: Laser denyut (PULSE), laser separa berterusan (QCW), laser berterusan (CW)

Laser denyut: nanosaat, pikosaat, femtosaat, laser denyut frekuensi tinggi (ns, lebar denyut) ini selalunya boleh mencapai tenaga puncak tinggi, pemprosesan frekuensi tinggi (MHZ), digunakan untuk memproses bahan nipis kuprum dan aluminium yang berbeza, serta pembersihan. Dengan menggunakan tenaga puncak 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 kuasi berterusan (QCW): Disebabkan oleh kadar pengulangan yang tinggi dan kitaran tugas yang rendah (di bawah 50%), lebar denyut bagiLaser QCWmencapai 50 us-50 ms, mengisi jurang antara laser gentian berterusan aras kilowatt dan laser denyut Q-switched; Kuasa puncak laser gentian berterusan separa boleh mencapai 10 kali ganda kuasa purata di bawah operasi mod berterusan. Laser QCW secara amnya mempunyai dua mod, satu ialah kimpalan berterusan pada kuasa rendah, dan yang satu lagi ialah kimpalan laser berdenyut dengan kuasa puncak 10 kali ganda kuasa purata, yang boleh mencapai bahan yang lebih tebal dan kimpalan haba yang lebih banyak, di samping mengawal haba dalam julat yang sangat kecil;

Laser Berterusan (CW): Ini adalah yang paling biasa digunakan, dan kebanyakan laser yang dilihat di pasaran adalah 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 pancaran yang berbeza, dan boleh disesuaikan dengan senario aplikasi yang berbeza.