Prinsippet for lasergenerering

Hvorfor trenger vi å vite prinsippet bak lasere?

Å kjenne til forskjellene mellom vanlige halvlederlasere, fibre, skiver ogYAG-laserkan også bidra til å få en bedre forståelse og delta i flere diskusjoner under utvelgelsesprosessen.

Artikkelen fokuserer hovedsakelig på populærvitenskap: en kort introduksjon til prinsippet bak lasergenerering, hovedstrukturen til lasere og flere vanlige typer lasere.

For det første, prinsippet for lasergenerering

Laser genereres gjennom samspillet mellom lys og materie, kjent som stimulert strålingsforsterkning. For å forstå stimulert strålingsforsterkning kreves det å forstå 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 består av en kjerne og elektroner utenfor kjernen, og elektronenes orbitaler er ikke vilkårlige. Elektroner har bare visse orbitaler, hvorav den innerste orbitalen kalles grunntilstanden; Hvis et elektron er i grunntilstanden, er energien 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 bevege seg fra grunntilstand til eksitert tilstand; 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 teori om stimulert stråling

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 materie, og kjernen i den er overgangen av partikler mellom forskjellige energinivåer. Det er tre forskjellige 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 emisjon:

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 transisjon, og lysbølgene som sendes ut av spontane overganger kalles spontan stråling.

Kjennetegn ved spontan emisjon: Hvert foton er uavhengig, med forskjellige retninger og faser, og forekomsttidspunktet er også tilfeldig. Det tilhører inkoherent 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 forskjellige lasere har strølys. Hvis den kontrolleres godt, kan andelen spontan emisjon i laseren ignoreres. Jo renere laseren er, for eksempel 1060 nm, desto mer er den bare 1060 nm. Denne typen laser har en relativt stabil absorpsjonshastighet og effekt.

Stimulert absorpsjon:

Elektroner ved lave energinivåer (lave orbitaler) går over til høyere energinivåer (høye orbitaler) etter å ha absorbert fotoner, og denne prosessen kalles stimulert absorpsjon. Stimulert absorpsjon er avgjørende og en av de viktigste pumpeprosessene. Laserens pumpekilde gir fotonenergi som får partikler i forsterkningsmediet til å gå over og vente på stimulert stråling ved høyere energinivåer, og sende ut laseren.

Stimulert stråling:

Når elektronet bestråles av lys med ekstern energi (hv=E2-E1), blir det eksitert av det eksterne fotonet og hopper til lavt energinivå (den høye banen går til den lave banen). Samtidig sender det 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, noe som kan forstås som at elektronet spytter ut det tidligere absorberte fotonet. Denne luminescensprosessen kalles stimulert stråling, som er den motsatte 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 de aller fleste elektronene i grunntilstanden, elektronene i grunntilstanden, og laseren er avhengig av stimulert stråling. Derfor er laserens struktur å tillate stimulert absorpsjon å skje først, bringe elektronene til det høye energinivået, og deretter gi en eksitasjon som får et stort antall elektroner med høyt energinivå til å gjennomgå stimulert stråling, og frigjøre fotoner. Fra dette kan en laser genereres. Deretter vil vi introdusere laserstrukturen.

Laserstruktur:

Match laserstrukturen med lasergenereringsbetingelsene nevnt tidligere én etter én:

Tilstand for forekomst og tilhørende struktur:

1. Det finnes et forsterkningsmedium som gir forsterkningseffekt som laserens arbeidsmedium, og dets aktiverte partiklene 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 finnes en ekstern eksitasjonskilde (pumpekilde) som kan pumpe elektroner fra det nedre nivået til det øvre nivået, noe som forårsaker partikkelnummerinversjon mellom laserens øvre og nedre nivåer (dvs. når det er flere høyenergipartikler enn lavenergipartikler), slik som xenonlampen i YAG-lasere;

3. Det er et resonant hulrom som kan oppnå laseroscillasjon, øke arbeidslengden til laserarbeidsmaterialet, skjerme lysbølgemodusen, kontrollere strålens forplantningsretning, selektivt forsterke den stimulerte strålingsfrekvensen for å forbedre monokromatisiteten (sikre at laseren 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 denne. Lasergenereringsprosessen er vist i figuren:

Laserklassifisering: vanligvis klassifisert etter forsterkningsmedium eller etter laserenergiform

Klassifisering av middels forsterkning:

KarbondioksidlaserForsterkningsmediet til karbondioksidlaseren er helium ogCO2-laser,med en laserbølgelengde på 10,6 µm, som er et av de tidligste laserproduktene som ble lansert. Tidlig lasersveising var hovedsakelig basert på karbondioksidlaser, som for tiden hovedsakelig brukes til sveising og skjæring av ikke-metalliske materialer (tekstiler, plast, tre osv.). I tillegg brukes den også på litografimaskiner. Karbondioksidlaser kan ikke overføres gjennom optiske fibre og beveger seg gjennom romlige optiske baner. Den tidligste Tongkuai-sveising var relativt bra, og mye skjæreutstyr ble brukt;

YAG-laser (yttriumaluminiumgranat): YAG-krystaller dopet med neodym (Nd) eller yttrium (Yb) metallioner brukes som laserforsterkningsmedium, med en emisjonsbølgelengde på 1,06 µm. YAG-laseren kan sende ut 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 den kan overføres gjennom optiske fibre, og samtidig øker absorpsjonshastigheten til metallmaterialer, og den begynner å bli brukt i materialer med høy reflektivitet, først brukt i 3C-feltet.

Fiberlaser: Dagens hovedstrøm på markedet bruker ytterbiumdopet fiber som forsterkningsmedium, med en bølgelengde på 1060 nm. Den er videre delt inn i fiber- og skivelasere basert på mediets form; fiberoptikk representerer IPG, mens skive representerer Tongkuai.

Halvlederlaser: Forsterkningsmediet er en halvleder-PN-overgang, og bølgelengden til halvlederlaseren er hovedsakelig på 976 nm. For tiden brukes halvleder-nær-infrarøde lasere hovedsakelig til kledning, med lysflekker over 600 µm. Laserline er et representativt foretak for halvlederlasere.

Klassifisert etter formen for energivirkning: Pulslaser (PULSE), kvasikontinuerlig laser (QCW), kontinuerlig laser (CW)

Pulslaser: nanosekund, pikosekund, femtosekund. Denne høyfrekvente pulslaseren (ns, pulsbredde) kan ofte oppnå høy toppenergi og høyfrekvent (MHZ) prosessering. Den brukes til prosessering av tynne kobber- og aluminiumsmaterialer, samt hovedsakelig rengjøring. Ved å bruke høy toppenergi kan den raskt smelte basismaterialet, med kort virkningstid og liten varmepåvirket sone. Den har fordeler ved prosessering av ultratynne materialer (under 0,5 mm);

Kvasi-kontinuerlig laser (QCW): På grunn av høy repetisjonsfrekvens og lav driftssyklus (under 50 %), er pulsbredden tilQCW-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 vanligvis to moduser, den ene er kontinuerlig sveising med lav effekt, og den andre er pulslasersveising med en toppeffekt på 10 ganger gjennomsnittseffekten, noe som kan oppnå tykkere materialer og mer varmesveising, samtidig som varmen kontrolleres innenfor et veldig lite område;

Kontinuerlig laser (CW): Dette er den mest brukte laseren, og de fleste laserne som finnes på markedet er CW-lasere som kontinuerlig sender ut laser for sveiseprosessering. Fiberlasere er delt inn i enkeltmodus- og flermoduslasere i henhold til forskjellige kjernediametre og strålekvaliteter, og kan tilpasses forskjellige bruksscenarier.