Hvorfor trenger vi å vite prinsippet om lasere?
Å kjenne forskjellene mellom vanlige halvlederlasere, fibre, plater ogYAG laserkan også bidra til å få en bedre forståelse og engasjere seg i flere diskusjoner under utvelgelsesprosessen.
Artikkelen fokuserer hovedsakelig på populærvitenskap: en kort introduksjon til prinsippet om lasergenerering, hovedstrukturen til lasere og flere vanlige typer lasere.
For det første prinsippet om lasergenerering
Laser genereres gjennom samspillet mellom lys og materie, kjent som stimulert strålingsforsterkning; Å forstå stimulert strålingsforsterkning krever forståelse av Einsteins konsepter om spontan emisjon, stimulert absorpsjon og stimulert stråling, samt noen nødvendige teoretiske grunnlag.
Teoretisk grunnlag 1: Bohr-modellen
Bohr-modellen gir hovedsakelig den indre strukturen til atomer, noe som gjør det enkelt å forstå hvordan lasere oppstår. Et atom er sammensatt av en kjerne og elektroner utenfor kjernen, og orbitalene til elektroner er ikke vilkårlige. Elektroner har bare visse orbitaler, blant hvilke den innerste orbitalen kalles grunntilstanden; Hvis et elektron er i grunntilstand, er dets energi den laveste. Hvis et elektron hopper ut av en bane, kalles det den første eksiterte tilstanden, og energien til den første eksiterte tilstanden vil være høyere enn grunntilstanden; En annen bane kalles den andre eksiterte tilstanden;
Grunnen til at laser kan oppstå er fordi elektroner vil bevege seg i forskjellige baner i denne modellen. Hvis elektroner absorberer energi, kan de løpe fra grunntilstanden til den eksiterte tilstanden; Hvis et elektron går tilbake fra eksitert tilstand til grunntilstand, vil det frigjøre energi, som ofte frigjøres i form av en laser.
Teoretisk grunnlag 2: Einsteins stimulerte strålingsteori
I 1917 foreslo Einstein teorien om stimulert stråling, som er det teoretiske grunnlaget for lasere og laserproduksjon: absorpsjon eller emisjon av materie er i hovedsak et resultat av samspillet mellom strålingsfeltet og partiklene som utgjør materien, og dens kjerne. essensen er overgangen av partikler mellom ulike energinivåer. Det er tre ulike prosesser i samspillet mellom lys og materie: spontan emisjon, stimulert emisjon og stimulert absorpsjon. For et system som inneholder et stort antall partikler, eksisterer disse tre prosessene alltid side om side og er nært beslektet.
Spontan utslipp:
Som vist i figuren: et elektron på høyenerginivået E2 går spontant over til lavenerginivået E1 og sender ut et foton med energien hv, og hv=E2-E1; Denne spontane og urelaterte overgangsprosessen kalles spontan overgang, og lysbølgene som sendes ut av spontane overganger kalles spontan stråling.
Egenskapene til spontan emisjon: Hvert foton er uavhengig, med forskjellige retninger og faser, og forekomsttiden er også tilfeldig. Det tilhører usammenhengende og kaotisk lys, som ikke er lyset som kreves av laseren. Derfor må lasergenereringsprosessen redusere denne typen strølys. Dette er også en av grunnene til at bølgelengden til ulike lasere har strølys. Hvis det kontrolleres godt, kan andelen av spontan emisjon i laseren ignoreres. Jo renere laseren er, for eksempel 1060 nm, den er hele 1060 nm. Denne typen laser har en relativt stabil absorpsjonshastighet og kraft.
Stimulert absorpsjon:
Elektroner ved lave energinivåer (lave orbitaler), etter å ha absorbert fotoner, går over til høyere energinivåer (høye orbitaler), og denne prosessen kalles stimulert absorpsjon. Stimulert absorpsjon er avgjørende og en av de viktigste pumpeprosessene. Pumpekilden til laseren gir fotonenergi for å få partikler i forsterkningsmediet til å gå over og vente på stimulert stråling ved høyere energinivåer, og sende ut laseren.
Stimulert stråling:
Når det bestråles av lyset fra ekstern energi (hv=E2-E1), eksiteres elektronet på det høye energinivået av det eksterne fotonet og hopper til det lave energinivået (den høye banen går til den lave banen). Samtidig sender den ut et foton som er nøyaktig det samme som det eksterne fotonet. Denne prosessen absorberer ikke det opprinnelige eksitasjonslyset, så det vil være to identiske fotoner, som kan forstås som at elektronet spytter ut det tidligere absorberte fotonet. Denne luminescensprosessen kalles stimulert stråling, som er den omvendte prosessen av stimulert absorpsjon.
Etter at teorien er klar, er det veldig enkelt å bygge en laser, som vist i figuren ovenfor: under normale forhold med materialstabilitet er det store flertallet av elektronene i grunntilstanden, elektronene i grunntilstanden, og laseren er avhengig av stimulert stråling. Derfor er strukturen til laseren å tillate stimulert absorpsjon å skje først, bringe elektroner til det høye energinivået, og deretter gi en eksitasjon for å få et stort antall høyenerginivåelektroner til å gjennomgå stimulert stråling, og frigjøre fotoner, Fra dette, laser kan genereres. Deretter vil vi introdusere laserstrukturen.
Laserstruktur:
Match laserstrukturen med lasergenereringsforholdene nevnt tidligere én etter én:
Forekomstens tilstand og tilsvarende struktur:
1. Det er et forsterkningsmedium som gir forsterkningseffekt som laserarbeidsmediet, og dets aktiverte partikler har en energinivåstruktur som er egnet for å generere stimulert stråling (hovedsakelig i stand til å pumpe elektroner til høyenergiorbitaler og eksistere i en viss tidsperiode , og deretter frigjøre fotoner i ett åndedrag gjennom stimulert stråling);
2. Det er en ekstern eksitasjonskilde (pumpekilde) som kan pumpe elektroner fra det nedre nivået til det øvre nivået, noe som forårsaker inversjon av partikkelantall mellom øvre og nedre nivå av laseren (dvs. når det er flere høyenergipartikler enn lavenergipartikler), for eksempel xenonlampen i YAG-lasere;
3. Det er et resonanshulrom som kan oppnå laseroscillasjon, øke arbeidslengden til laserarbeidsmaterialet, skjerme lysbølgemodusen, kontrollere forplantningsretningen til strålen, selektivt forsterke den stimulerte strålingsfrekvensen for å forbedre monokromaticiteten (som sikrer at laser sendes ut med en viss energi).
Den tilsvarende strukturen er vist i figuren ovenfor, som er en enkel struktur av en YAG-laser. Andre strukturer kan være mer komplekse, men kjernen er dette. Lasergenereringsprosessen er vist i figuren:
Laserklassifisering: generelt klassifisert etter forsterkningsmedium eller laserenergiform
Få middels klassifisering:
Karbondioksid laser: Forsterkningsmediet til karbondioksidlaser er helium ogCO2 laser,med en laserbølgelengde på 10,6um, som er et av de tidligste laserproduktene som ble lansert. Den tidlige lasersveisingen var hovedsakelig basert på karbondioksidlaser, som i dag hovedsakelig brukes til sveising og kutting av ikke-metalliske materialer (stoffer, plast, tre, etc.). I tillegg brukes den også på litografimaskiner. Karbondioksidlaser kan ikke overføres gjennom optiske fibre og går gjennom romlige optiske baner. Den tidligste Tongkuai ble gjort relativt bra, og mye skjæreutstyr ble brukt;
YAG (yttrium aluminium granat) laser: YAG krystaller dopet med neodym (Nd) eller yttrium (Yb) metallioner brukes som laserforsterkningsmedium, med en emisjonsbølgelengde på 1,06um. YAG-laseren kan gi høyere pulser, men gjennomsnittseffekten er lav, og toppeffekten kan nå 15 ganger gjennomsnittseffekten. Hvis det hovedsakelig er en pulslaser, kan ikke kontinuerlig utgang oppnås; Men det kan overføres gjennom optiske fibre, og samtidig øker absorpsjonshastigheten til metallmaterialer, og det begynner å bli brukt i materialer med høy reflektivitet, først brukt i 3C-feltet;
Fiberlaser: Den nåværende hovedstrømmen i markedet bruker ytterbium-dopet fiber som forsterkningsmedium, med en bølgelengde på 1060nm. Den er videre delt inn i fiber- og skivelasere basert på formen på mediet; Fiberoptikk representerer IPG, mens disk representerer Tongkuai.
Halvlederlaser: Forsterkningsmediet er et halvleder PN-kryss, og bølgelengden til halvlederlaseren er hovedsakelig på 976nm. For tiden brukes halvledere nær-infrarøde lasere hovedsakelig til kledning, med lyspunkter over 600um. Laserline er en representativ bedrift av halvlederlasere.
Klassifisert etter form for energihandling: Pulslaser (PULSE), kvasi-kontinuerlig laser (QCW), kontinuerlig laser (CW)
Pulslaser: nanosekund, pikosekund, femtosekund, denne høyfrekvente pulslaseren (ns, pulsbredde) kan ofte oppnå høy toppenergi, høyfrekvent (MHZ) prosessering, brukt til å behandle tynne kobber og aluminium ulikt materiale, samt rengjøring for det meste . Ved å bruke høy toppenergi kan den raskt smelte grunnmaterialet, med lav virketid og liten varmepåvirket sone. Det har fordeler ved å behandle ultratynne materialer (under 0,5 mm);
Kvasi kontinuerlig laser (QCW): På grunn av høy repetisjonshastighet og lav driftssyklus (under 50 %), vil pulsbredden påQCW lasernår 50 us-50 ms, og fyller gapet mellom kontinuerlig fiberlaser på kilowattnivå og Q-svitsjet pulslaser; Toppeffekten til en kvasi-kontinuerlig fiberlaser kan nå 10 ganger gjennomsnittseffekten under kontinuerlig drift. QCW-lasere har generelt to moduser, den ene er kontinuerlig sveising med lav effekt, og den andre er pulserende lasersveising med en toppeffekt på 10 ganger gjennomsnittseffekten, noe som kan oppnå tykkere materialer og mer varmesveising, samtidig som den kontrollerer varmen innenfor en svært liten rekkevidde;
Kontinuerlig laser (CW): Dette er den mest brukte, og de fleste lasere som sees på markedet er CW-lasere som kontinuerlig sender ut laser for sveisebehandling. Fiberlasere er delt inn i single-mode og multi-mode lasere i henhold til ulike kjernediametre og strålekvaliteter, og kan tilpasses ulike bruksscenarier.
Innleggstid: 20. desember 2023
