Prinsipyo ng Paglikha ng Laser

Bakit kailangan nating malaman ang prinsipyo ng mga laser?

Pag-alam sa mga pagkakaiba sa pagitan ng mga karaniwang semiconductor laser, fiber, disc, atLaser na YAGmakakatulong din ito upang mas maunawaan at makilahok sa mas maraming talakayan habang nasa proseso ng pagpili.

Pangunahing nakatuon ang artikulo sa agham popular: isang maikling panimula sa prinsipyo ng pagbuo ng laser, ang pangunahing istruktura ng mga laser, at ilang karaniwang uri ng laser.

Una, ang prinsipyo ng pagbuo ng laser

Ang laser ay nalilikha sa pamamagitan ng interaksyon sa pagitan ng liwanag at materya, na kilala bilang stimulated radiation amplification; Ang pag-unawa sa stimulated radiation amplification ay nangangailangan ng pag-unawa sa mga konsepto ni Einstein tungkol sa kusang emisyon, stimulated absorption, at stimulated radiation, pati na rin ang ilang kinakailangang teoretikal na pundasyon.

Batayang Teoretikal 1: Modelo ng Bohr

Ang modelong Bohr ay pangunahing nagbibigay ng panloob na istruktura ng mga atomo, na ginagawang madaling maunawaan kung paano nangyayari ang mga laser. Ang isang atomo 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 ng isang orbit, ito ay tinatawag na unang excited state, at ang enerhiya ng unang excited state ay magiging mas mataas kaysa sa ground state; Ang isa pang orbit ay tinatawag na pangalawang excited state;

Ang dahilan kung bakit maaaring lumitaw ang laser ay dahil ang mga electron ay gumagalaw sa iba't ibang orbit sa modelong ito. Kung ang mga electron ay sumisipsip ng enerhiya, maaari silang tumakbo mula sa ground state patungo sa excited state; Kung ang isang electron ay bumalik mula sa excited state patungo sa ground state, maglalabas ito ng enerhiya, na kadalasang inilalabas sa anyo ng isang laser.

Batayang Teoretikal 2: Teorya ng Stimulated Radiation ni Einstein

Noong 1917, iminungkahi ni Einstein ang teorya ng stimulated radiation, na siyang teoretikal na batayan para sa mga laser at produksyon ng laser: ang pagsipsip o paglabas ng materya ay mahalagang resulta ng interaksyon sa pagitan ng larangan ng radiation at ng mga particle na bumubuo sa materya, at ang pangunahing esensya nito ay ang paglipat ng mga particle sa pagitan ng iba't ibang antas ng enerhiya. Mayroong tatlong magkakaibang proseso sa interaksyon sa pagitan ng liwanag at materya: kusang paglabas, stimulated emission, at stimulated absorption. Para sa isang sistemang naglalaman ng maraming particle, ang tatlong prosesong ito ay palaging magkakasamang nabubuhay at malapit na magkakaugnay.

Kusang paglabas:

Gaya ng ipinapakita sa pigura: isang elektron sa mataas na antas ng enerhiya na E2 ay kusang lumilipat sa mababang antas ng enerhiya na E1 at naglalabas ng photon na may enerhiya na hv, at hv=E2-E1; Ang kusang-loob at walang kaugnayang proseso ng transisyon na ito ay tinatawag na kusang-loob na transisyon, at ang mga alon ng liwanag na inilalabas ng kusang-loob na mga transisyon ay tinatawag na kusang-loob na radyasyon.

Mga Katangian ng Kusang Paglabas: Ang bawat photon ay malaya, may iba't ibang direksyon at yugto, at ang oras ng paglitaw ay random din. Ito ay kabilang sa hindi magkakaugnay at magulong liwanag, na hindi ang liwanag na kailangan ng laser. Samakatuwid, ang proseso ng pagbuo ng laser ay kailangang mabawasan ang ganitong uri ng ligaw na liwanag. Isa rin ito sa mga dahilan kung bakit ang wavelength ng iba't ibang laser ay may ligaw na liwanag. Kung kontrolado nang maayos, ang proporsyon ng kusang paglabas sa laser ay maaaring balewalain. Kung mas puro ang laser, tulad ng 1060 nm, ito ay 1060 nm. Ang ganitong uri ng laser ay may medyo matatag na rate ng pagsipsip at lakas.

Pinasiglang pagsipsip:

Ang mga electron sa mababang antas ng enerhiya (mababang orbital), pagkatapos sumipsip ng mga photon, ay lumilipat 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 pagbomba. Ang pinagmumulan ng bomba ng laser ay nagbibigay ng enerhiya ng photon 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 naglalabas ng laser.

Pinasiglang radyasyon:

Kapag na-irradiate ng liwanag ng panlabas na enerhiya (hv=E2-E1), ang elektron sa mataas na antas ng enerhiya ay nae-excite ng panlabas na photon at tumatalon 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. Hindi sinisipsip ng prosesong ito ang orihinal na liwanag ng pag-e-excite, kaya magkakaroon ng dalawang magkaparehong photon, na mauunawaan habang ibinubuga ng elektron ang dating sinisipsip na photon. Ang prosesong luminescence na ito ay tinatawag na stimulated radiation, na siyang kabaligtaran ng stimulated absorption.

Matapos maging malinaw ang teorya, napakadaling bumuo ng isang laser, tulad ng ipinapakita sa pigura sa itaas: sa ilalim ng normal na mga kondisyon ng katatagan ng materyal, ang karamihan ng mga electron ay nasa ground state, ang mga electron ay nasa ground state, at ang laser ay nakadepende sa stimulated radiation. Samakatuwid, ang istruktura ng laser ay upang payagan muna ang stimulated absorption na mangyari, na magdadala sa mga electron sa mataas na antas ng enerhiya, at pagkatapos ay magbigay ng excitation upang maging sanhi ng maraming bilang ng mga electron na may mataas na antas ng enerhiya na sumailalim sa stimulated radiation, na maglalabas ng mga photon. Mula rito, maaaring mabuo ang laser. Susunod, ipapakilala natin ang istruktura ng laser.

Istruktura ng laser:

Isa-isang itugma ang istruktura ng laser sa mga kondisyon ng pagbuo ng laser na nabanggit kanina:

Kondisyon ng paglitaw at katumbas na istruktura:

1. Mayroong 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 (pangunahing kayang mag-pump ng mga electron sa mga high-energy orbital at umiral sa loob ng isang tiyak na tagal ng panahon, at pagkatapos ay maglabas ng mga photon sa isang hininga sa pamamagitan ng stimulated radiation);

2. Mayroong panlabas na pinagmumulan ng paggulo (pinagmumulan ng bomba) na maaaring magbomba ng mga electron mula sa mas mababang antas patungo sa itaas na antas, na nagiging sanhi ng pagbabaligtad ng bilang ng particle sa pagitan ng itaas at mas mababang antas ng laser (ibig sabihin, kapag mas maraming high-energy particle kaysa sa mga low-energy particle), tulad ng xenon lamp sa mga YAG laser;

3. Mayroong isang 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, at piliing palakasin ang stimulated radiation frequency upang mapabuti ang monochromaticity (tinitiyak na ang laser ay nailalabas sa isang tiyak na enerhiya).

Ang katumbas na istruktura ay ipinapakita sa pigura sa itaas, na isang simpleng istruktura ng isang YAG laser. Ang iba pang mga istruktura ay maaaring mas kumplikado, ngunit ang pinakasentro ay ito. Ang proseso ng pagbuo ng laser ay ipinapakita sa pigura:

Klasipikasyon ng laser: karaniwang inuuri ayon sa gain medium o ayon sa anyo ng enerhiya ng laser

Klasipikasyon ng katamtamang laki ng gain:

Laser ng carbon dioxideAng gain medium ng carbon dioxide laser ay helium atlaser na CO2,na may laser wavelength na 10.6um, na isa sa mga pinakaunang produktong laser na inilunsad. Ang mga unang laser welding ay pangunahing nakabatay sa carbon dioxide laser, na kasalukuyang pangunahing ginagamit para sa pagwelding at pagputol ng mga materyales na hindi metal (tela, plastik, kahoy, atbp.). Bukod pa rito, ginagamit din ito sa mga makinang lithography. Ang carbon dioxide laser ay hindi maaaring maipasa sa pamamagitan ng optical fibers at naglalakbay sa pamamagitan ng spatial optical paths. Ang mga pinakaunang Tongkuai ay medyo mahusay na nagawa, at maraming kagamitan sa pagputol ang ginamit;

YAG (yttrium aluminum garnet) laser: Ang mga kristal ng YAG na may neodymium (Nd) o yttrium (Yb) 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 pulse, ngunit ang average na lakas ay mababa, at ang peak power ay maaaring umabot ng 15 beses sa average na lakas. Kung ito ay pangunahing pulse laser, hindi makakamit ang tuluy-tuloy na output; Ngunit maaari itong maipadala sa pamamagitan ng optical fibers, at kasabay nito, tumataas ang absorption rate ng mga materyales na metal, at nagsisimula na itong ilapat sa mga materyales na may mataas na reflectivity, na unang inilapat sa 3C field;

Fiber laser: Ang kasalukuyang pangunahing teknolohiya sa merkado ay gumagamit ng ytterbium doped fiber bilang gain medium, na may wavelength na 1060nm. Ito ay nahahati pa sa fiber at disc laser 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 pangunahing nasa 976nm. Sa kasalukuyan, ang mga semiconductor near-infrared laser ay pangunahing ginagamit para sa cladding, na may mga light spot na higit sa 600um. Ang Laserline ay isang kinatawan na negosyo ng mga semiconductor laser.

Inuri ayon sa anyo ng aksyon ng enerhiya: Pulse laser (PULSE), quasi continuous laser (QCW), continuous laser (CW)

Pulse laser: nanosecond, picosecond, femtosecond, ang high-frequency pulse laser (ns, pulse width) na ito ay kadalasang nakakamit ng mataas na peak energy, high frequency (MHZ) processing, na ginagamit para sa pagproseso ng manipis na tanso at aluminum na magkakaibang materyales, pati na rin sa paglilinis. Gamit ang mataas na peak energy, mabilis nitong natutunaw ang base material, na may mababang action time at maliit na heat affected zone. Mayroon itong mga bentahe sa pagproseso ng ultra-thin na materyales (mas mababa sa 0.5mm);

Quasi continuous laser (QCW): Dahil sa mataas na repetition rate at mababang duty cycle (mas mababa sa 50%), ang pulse width ngLaser ng QCWumaabot sa 50 us-50 ms, pinupunan ang puwang sa pagitan ng kilowatt level continuous fiber laser at Q-switched pulse laser; Ang peak power ng isang quasi continuous fiber laser ay maaaring umabot ng 10 beses ng average na power sa ilalim ng continuous mode operation. Ang mga QCW laser sa pangkalahatan ay may dalawang mode, ang isa ay continuous welding sa mababang power, at ang isa ay pulsed laser welding na may peak power na 10 beses ng average na power, na maaaring makamit ang mas makapal na materyales at mas maraming heat welding, habang kinokontrol din ang init sa loob ng napakaliit na saklaw;

Patuloy na Laser (CW): Ito ang pinakakaraniwang ginagamit, at karamihan sa mga laser na makikita sa merkado ay mga CW laser na patuloy na naglalabas ng laser para sa pagproseso ng hinang. Ang mga fiber laser ay nahahati sa single-mode at multi-mode laser ayon sa iba't ibang diameter ng core at kalidad ng beam, at maaaring iakma sa iba't ibang senaryo ng aplikasyon.