Bakit kailangan nating malaman ang prinsipyo ng mga laser?
Pag-alam sa mga pagkakaiba sa pagitan ng mga karaniwang semiconductor laser, fibers, disc, atYAG laseray maaari ring makatulong upang magkaroon ng mas mahusay na pag-unawa at makisali sa mas maraming talakayan sa panahon ng proseso ng pagpili.
Pangunahing nakatuon ang artikulo sa sikat na agham: isang maikling panimula sa prinsipyo ng pagbuo ng laser, ang pangunahing istraktura ng mga laser, at ilang karaniwang uri ng mga laser.
Una, ang prinsipyo ng henerasyon ng laser
Ang laser ay nabuo sa pamamagitan ng pakikipag-ugnayan sa pagitan ng liwanag at bagay, na kilala bilang stimulated radiation amplification; Ang pag-unawa sa stimulated radiation amplification ay nangangailangan ng pag-unawa sa mga konsepto ni Einstein ng spontaneous emission, stimulated absorption, at stimulated radiation, pati na rin ang ilang kinakailangang theoretical foundations.
Teoretikal na Batayan 1: Bohr Model
Ang modelo ng Bohr ay pangunahing nagbibigay ng panloob na istraktura ng mga atomo, na ginagawang madaling maunawaan kung paano nangyayari ang mga laser. Ang isang atom ay binubuo ng isang nucleus at mga electron sa labas ng nucleus, at ang mga orbital ng mga electron ay hindi arbitraryo. Ang mga electron ay mayroon lamang ilang mga orbital, kung saan ang pinakaloob na orbital ay tinatawag na ground state; Kung ang isang electron ay nasa ground state, ang enerhiya nito ay ang pinakamababa. Kung ang isang electron ay tumalon palabas sa isang orbit, ito ay tinatawag na unang excited na estado, at ang enerhiya ng unang excited na estado ay mas mataas kaysa sa enerhiya ng ground state; Ang isa pang orbit ay tinatawag na pangalawang excited na estado;
Ang dahilan kung bakit maaaring mangyari ang laser ay dahil ang mga electron ay lilipat sa iba't ibang orbit sa modelong ito. Kung ang mga electron ay sumisipsip ng enerhiya, maaari silang tumakbo mula sa ground state hanggang sa excited na estado; Kung ang isang elektron ay bumalik mula sa nasasabik na estado sa ground state, ito ay maglalabas ng enerhiya, na kadalasang inilalabas sa anyo ng isang laser.
Teoretikal na Batayan 2: Ang Stimulated Radiation Theory ni Einstein
Noong 1917, iminungkahi ni Einstein ang teorya ng stimulated radiation, na siyang teoretikal na batayan para sa lasers at produksyon ng laser: ang pagsipsip o paglabas ng matter ay mahalagang resulta ng interaksyon sa pagitan ng radiation field at ng mga particle na bumubuo sa matter, at ang core nito. ang kakanyahan ay ang paglipat ng mga particle sa pagitan ng iba't ibang antas ng enerhiya. Mayroong tatlong magkakaibang proseso sa pakikipag-ugnayan sa pagitan ng liwanag at bagay: kusang paglabas, stimulated emission, at stimulated absorption. Para sa isang sistemang naglalaman ng malaking bilang ng mga particle, ang tatlong prosesong ito ay palaging magkakasamang nabubuhay at malapit na nauugnay.
Kusang paglabas:
Tulad ng ipinapakita sa figure: isang electron sa mataas na enerhiya na antas E2 ay kusang lumilipat sa mababang-enerhiya na antas E1 at naglalabas ng isang photon na may enerhiya na hv, at hv=E2-E1; Ang kusang-loob at hindi nauugnay na proseso ng paglipat na ito ay tinatawag na kusang paglipat, at ang mga ilaw na alon na ibinubuga ng mga kusang paglipat ay tinatawag na kusang radiation.
Ang mga katangian ng kusang paglabas: Ang bawat photon ay independyente, na may iba't ibang direksyon at yugto, at ang oras ng paglitaw ay random din. Ito ay kabilang sa incoherent at magulong liwanag, na hindi ang liwanag na kinakailangan ng laser. Samakatuwid, ang proseso ng pagbuo ng laser ay kailangang bawasan ang ganitong uri ng stray light. Isa rin ito sa mga dahilan kung bakit ang wavelength ng iba't ibang mga laser ay may ligaw na liwanag. Kung kinokontrol ng mabuti, ang proporsyon ng kusang paglabas sa laser ay maaaring balewalain. Ang mas dalisay na laser, tulad ng 1060 nm, lahat ito ay 1060 nm, Ang ganitong uri ng laser ay may medyo matatag na rate ng pagsipsip at kapangyarihan.
Pinasigla ang pagsipsip:
Ang mga electron sa mababang antas ng enerhiya (mababang orbital), pagkatapos sumisipsip ng mga photon, ay lumipat sa mas mataas na antas ng enerhiya (mataas na orbital), at ang prosesong ito ay tinatawag na stimulated absorption. Ang stimulated absorption ay mahalaga at isa sa mga pangunahing proseso ng pumping. Ang pump source ng laser ay nagbibigay ng photon energy upang maging sanhi ng paglipat ng mga particle sa gain medium at maghintay para sa stimulated radiation sa mas mataas na antas ng enerhiya, na nagpapalabas ng laser.
Pinasiglang radiation:
Kapag na-irradiated ng liwanag ng panlabas na enerhiya (hv=E2-E1), ang electron sa mataas na antas ng enerhiya ay nasasabik ng panlabas na photon at tumalon sa mababang antas ng enerhiya (ang mataas na orbit ay tumatakbo sa mababang orbit). Kasabay nito, naglalabas ito ng photon na eksaktong kapareho ng panlabas na photon. Ang prosesong ito ay hindi sumisipsip ng orihinal na liwanag ng paggulo, kaya magkakaroon ng dalawang magkaparehong mga photon, na mauunawaan habang inilalabas ng elektron ang dating hinihigop na photon, Ang proseso ng luminescence na ito ay tinatawag na stimulated radiation, na siyang reverse na proseso ng stimulated absorption.
Matapos malinaw ang teorya, napakasimpleng gumawa ng laser, tulad ng ipinapakita sa figure sa itaas: sa ilalim ng normal na kondisyon ng materyal na katatagan, ang karamihan ng mga electron ay nasa ground state, mga electron sa ground state, at ang laser ay nakasalalay sa stimulated radiation. Samakatuwid, ang istraktura ng laser ay upang payagan ang stimulated absorption na mangyari muna, na nagdadala ng mga electron sa mataas na antas ng enerhiya, at pagkatapos ay nagbibigay ng isang paggulo upang maging sanhi ng isang malaking bilang ng mga mataas na antas ng enerhiya na mga electron na sumailalim sa stimulated radiation, naglalabas ng mga photon, Mula dito, maaaring mabuo ang laser. Susunod, ipakikilala namin ang istraktura ng laser.
Istraktura ng laser:
Itugma ang istraktura ng laser sa mga kundisyon ng henerasyon ng laser na nabanggit nang paisa-isa:
Kondisyon ng paglitaw at kaukulang istraktura:
1. May gain medium na nagbibigay ng amplification effect bilang laser working medium, at ang mga activated particle nito ay may energy level structure na angkop para sa pagbuo ng stimulated radiation (pangunahin na nakakapag-pump ng mga electron sa mga high-energy orbital at umiiral para sa isang tiyak na tagal ng panahon , at pagkatapos ay ilabas ang mga photon sa isang hininga sa pamamagitan ng stimulated radiation);
2. Mayroong panlabas na pinagmumulan ng paggulo (pump source) na maaaring mag-pump ng mga electron mula sa mas mababang antas hanggang sa itaas na antas, na nagiging sanhi ng pag-inversion ng numero ng particle sa pagitan ng itaas at mas mababang antas ng laser (ibig sabihin, kapag mayroong mas maraming mga particle na may mataas na enerhiya kaysa low-energy particle), tulad ng xenon lamp sa YAG laser;
3. May resonant cavity na maaaring makamit ang laser oscillation, dagdagan ang working length ng laser working material, i-screen ang light wave mode, kontrolin ang propagation direction ng beam, selectively amplified ang stimulated radiation frequency para mapabuti ang monochromaticity (siguraduhin na ang laser ay outputted sa isang tiyak na enerhiya).
Ang kaukulang istraktura ay ipinapakita sa figure sa itaas, na isang simpleng istraktura ng isang YAG laser. Ang iba pang mga istraktura ay maaaring mas kumplikado, ngunit ang core ay ito. Ang proseso ng pagbuo ng laser ay ipinapakita sa figure:
Pag-uuri ng laser: sa pangkalahatan ay inuri ayon sa gain medium o sa pamamagitan ng laser energy form
Makakuha ng medium classification:
Laser ng carbon dioxide: Ang gain medium ng carbon dioxide laser ay helium atCO2 laser,na may laser wavelength na 10.6um, na isa sa mga pinakaunang produktong laser na inilunsad. Ang maagang laser welding ay pangunahing batay sa carbon dioxide laser, na kasalukuyang pangunahing ginagamit para sa hinang at pagputol ng mga non-metallic na materyales (mga tela, plastik, kahoy, atbp.). Bilang karagdagan, ginagamit din ito sa mga makina ng lithography. Ang carbon dioxide laser ay hindi maililipat sa pamamagitan ng optical fibers at naglalakbay sa pamamagitan ng spatial optical paths, Ang pinakaunang Tongkuai ay medyo maayos na ginawa, at maraming cutting equipment ang ginamit;
YAG (yttrium aluminum garnet) laser: Ang mga YAG crystal na doped na may neodymium (Nd) o yttrium (Yb) na mga metal ions ay ginagamit bilang laser gain medium, na may emission wavelength na 1.06um. Ang YAG laser ay maaaring mag-output ng mas mataas na pulso, ngunit ang average na kapangyarihan ay mababa, at ang peak power ay maaaring umabot ng 15 beses ang average na kapangyarihan. Kung ito ay pangunahing isang pulse laser, ang tuluy-tuloy na output ay hindi makakamit; Ngunit maaari itong maipadala sa pamamagitan ng optical fibers, at sa parehong oras, ang rate ng pagsipsip ng mga metal na materyales ay tumataas, at ito ay nagsisimulang ilapat sa mataas na reflectivity na materyales, na unang inilapat sa 3C field;
Fiber laser: Ang kasalukuyang mainstream sa merkado ay gumagamit ng ytterbium doped fiber bilang gain medium, na may wavelength na 1060nm. Ito ay higit pang nahahati sa fiber at disc lasers batay sa hugis ng medium; Ang fiber optic ay kumakatawan sa IPG, habang ang disc ay kumakatawan sa Tongkuai.
Semiconductor laser: Ang gain medium ay isang semiconductor PN junction, at ang wavelength ng semiconductor laser ay higit sa lahat sa 976nm. Sa kasalukuyan, ang mga semiconductor near-infrared laser ay pangunahing ginagamit para sa cladding, na may mga light spot sa itaas 600um. Ang Laserline ay isang kinatawan ng negosyo ng mga semiconductor laser.
Inuri ayon sa anyo ng pagkilos ng enerhiya: Pulse laser (PULSE), quasi continuous laser (QCW), continuous laser (CW)
Pulse laser: nanosecond, picosecond, femtosecond, ang high-frequency pulse laser na ito (ns, pulse width) ay kadalasang makakamit ang mataas na peak energy, high frequency (MHZ) processing, na ginagamit para sa pagproseso ng manipis na tanso at aluminum na hindi magkatulad na materyales, pati na rin sa paglilinis ng karamihan. . Sa pamamagitan ng paggamit ng mataas na peak energy, maaari nitong mabilis na matunaw ang base material, na may mababang oras ng pagkilos at maliit na lugar na apektado ng init. Ito ay may mga pakinabang sa pagproseso ng mga ultra-manipis na materyales (sa ibaba 0.5mm);
Quasi continuous laser (QCW): Dahil sa mataas na rate ng pag-uulit at mababang duty cycle (sa ibaba 50%), ang lapad ng pulso ngQCW laserumabot sa 50 us-50 ms, pinupunan ang puwang sa pagitan ng kilowatt level na tuloy-tuloy na fiber laser at Q-switched pulse laser; Ang peak power ng isang quasi continuous fiber laser ay maaaring umabot ng 10 beses ang average na kapangyarihan sa ilalim ng tuluy-tuloy na mode operation. Ang QCW lasers sa pangkalahatan ay may dalawang mode, ang isa ay tuloy-tuloy na welding sa mababang kapangyarihan, at ang isa ay pulsed laser welding na may peak power na 10 beses ang average na kapangyarihan, na maaaring makamit ang mas makapal na materyales at mas maraming heat welding, habang kinokontrol din ang init sa loob ng isang napakaliit na saklaw;
Continuous Laser (CW): Ito ang pinakakaraniwang ginagamit, at karamihan sa mga laser na nakikita sa merkado ay mga CW laser na patuloy na naglalabas ng laser para sa pagproseso ng welding. Ang mga fiber laser ay nahahati sa single-mode at multi-mode lasers ayon sa iba't ibang mga core diameter at beam na katangian, at maaaring iakma sa iba't ibang mga sitwasyon ng aplikasyon.
Oras ng post: Dis-20-2023
