Навошта нам ведаць прынцып працы лазераў?
Ведаючы адрозненні паміж звычайнымі паўправадніковымі лазерамі, валокнамі, дыскамі іYAG лазерможа таксама дапамагчы атрымаць лепшае разуменне і ўдзельнічаць у дадатковых дыскусіях падчас працэсу адбору.
Артыкул у асноўным прысвечаны навукова-папулярнай тэматыцы: кароткае ўвядзенне ў прынцып генерацыі лазераў, асноўная структура лазераў і некалькі распаўсюджаных тыпаў лазераў.
Па-першае, прынцып генерацыі лазера
Лазер ствараецца праз узаемадзеянне паміж святлом і рэчывам, вядомае як стымуляванае ўзмацненне выпраменьвання; Разуменне стымуляванага ўзмацнення выпраменьвання патрабуе разумення канцэпцый Эйнштэйна пра спантаннае выпраменьванне, стымуляванае паглынанне і стымуляванае выпраменьванне, а таксама некаторыя неабходныя тэарэтычныя асновы.
Тэарэтычная аснова 1: мадэль Бора
Мадэль Бора ў асноўным забяспечвае ўнутраную структуру атамаў, што дазваляе лёгка зразумець, як узнікаюць лазеры. Атам складаецца з ядра і электронаў па-за ядром, і арбіталі электронаў не адвольныя. Электроны маюць толькі пэўныя арбіты, сярод якіх самая ўнутраная арбіталь называецца асноўным станам; Калі электрон знаходзіцца ў асноўным стане, яго энергія найменшая. Калі электрон саскоквае з арбіты, гэта называецца першым узбуджаным станам, і энергія першага ўзбуджанага стану будзе вышэй, чым у асноўнага стану; Іншая арбіта называецца другім узбуджаным станам;
Прычына, па якой можа ўзнікнуць лазер, заключаецца ў тым, што ў гэтай мадэлі электроны будуць рухацца па розных арбітах. Калі электроны паглынаюць энергію, яны могуць пераходзіць з асноўнага стану ва ўзбуджаны; Калі электрон вяртаецца з узбуджанага стану ў асноўны, ён вызваляе энергію, якая часта вылучаецца ў выглядзе лазера.
Тэарэтычная аснова 2: Тэорыя стымуляванага выпраменьвання Эйнштэйна
У 1917 годзе Эйнштэйн прапанаваў тэорыю стымуляванага выпраменьвання, якая з'яўляецца тэарэтычнай асновай для лазераў і лазернай вытворчасці: паглынанне або выпраменьванне матэрыі з'яўляецца па сутнасці вынікам узаемадзеяння паміж полем выпраменьвання і часціцамі, якія складаюць матэрыю, і яе ядром сутнасць — пераходы часціц паміж рознымі энергетычнымі ўзроўнямі. Ёсць тры розныя працэсы ўзаемадзеяння паміж святлом і рэчывам: спантаннае выпраменьванне, вымушанае выпраменьванне і вымушанае паглынанне. Для сістэмы, якая змяшчае вялікую колькасць часціц, гэтыя тры працэсы заўсёды суіснуюць і цесна звязаны.
Самаадвольнае выпраменьванне:
Як паказана на малюнку: электрон на высокаэнергетычным узроўні E2 спантанна пераходзіць на нізкаэнергетычны ўзровень E1 і выпраменьвае фатон з энергіяй hv, прычым hv=E2-E1; Гэты спантанны і не звязаны працэс пераходу называецца спантанным пераходам, а светлавыя хвалі, выпраменьваныя спантаннымі пераходамі, называюцца спантанным выпраменьваннем.
Характарыстыкі спантанага выпраменьвання: кожны фатон незалежны, з рознымі напрамкамі і фазамі, а час з'яўлення таксама выпадковы. Ён належыць да некагерэнтнага і хаатычнага святла, якое не з'яўляецца святлом, неабходным лазеру. Такім чынам, працэс лазернай генерацыі павінен паменшыць гэты тып рассеянага святла. Гэта таксама адна з прычын, па якой даўжыня хвалі розных лазераў мае рассеянае святло. Пры добрым кантролі долю спантанага выпраменьвання ў лазеры можна не ўлічваць. Чым больш чысты лазер, напрыклад, 1060 нм, усё роўна 1060 нм. Гэты тып лазера мае адносна стабільную хуткасць паглынання і магутнасць.
Стымуляванае ўсмоктванне:
Электроны на нізкіх энергетычных узроўнях (нізкія арбіталі) пасля паглынання фатонаў пераходзяць на больш высокія энергетычныя ўзроўні (высокія арбіталі), і гэты працэс называецца стымуляваным паглынаннем. Стымуляванае паглынанне з'яўляецца вырашальным і адным з ключавых працэсаў напампоўкі. Крыніца накачкі лазера забяспечвае энергію фатонаў, каб часціцы ў асяроддзі ўзмацнення пераходзілі і чакалі стымуляванага выпраменьвання на больш высокіх узроўнях энергіі, выпраменьваючы лазер.
Стымуляванае выпраменьванне:
Пры апрамяненні святлом знешняй энергіі (hv=E2-E1) электрон на высокім энергетычным узроўні ўзбуджаецца знешнім фатонам і пераходзіць на нізкі энергетычны ўзровень (высокая арбіта пераходзіць на нізкую). У той жа час ён выпраменьвае фатон, які сапраўды такі ж, як знешні фатон. Гэты працэс не паглынае першапачатковае ўзбуджальнае святло, таму будзе два аднолькавых фатона, што можна зразумець як электрон выплюхвае раней паглынуты фатон. Гэты працэс люмінесцэнцыі называецца стымуляваным выпраменьваннем, якое з'яўляецца адваротным працэсам стымуляванага паглынання.
Пасля яснасці тэорыі пабудаваць лазер вельмі проста, як паказана на малюнку вышэй: пры нармальных умовах стабільнасці матэрыялу пераважная большасць электронаў знаходзіцца ў асноўным стане, электроны ў асноўным стане, і лазер залежыць ад стымуляванае выпраменьванне. Такім чынам, структура лазера заключаецца ў тым, каб спачатку адбыцца стымуляванае паглынанне, якое даводзіць электроны да высокага энергетычнага ўзроўню, а затым забяспечвае ўзбуджэнне, якое прымушае вялікую колькасць электронаў высокага энергетычнага ўзроўню падвяргацца стымуляванаму выпраменьванню, вызваляючы фатоны. можа быць створаны лазер. Далей мы пазнаёмімся з лазернай структурай.
Структура лазера:
Адпаведна супастаўце структуру лазера з умовамі генерацыі лазера, згаданымі раней:
Умовы ўзнікнення і адпаведная структура:
1. У якасці працоўнага асяроддзя лазера існуе ўзмацняльнае асяроддзе, якое забяспечвае эфект узмацнення, і яго актываваныя часціцы маюць структуру энергетычнага ўзроўню, прыдатную для генерацыі стымуляванага выпраменьвання (у асноўным здольныя перапампоўваць электроны на высокаэнергетычныя арбіты і існаваць на працягу пэўнага перыяду часу , а затым выпусціць фатоны на адным дыханні праз стымуляванае выпраменьванне);
2. Існуе знешняя крыніца ўзбуджэння (крыніца накачкі), якая можа перапампоўваць электроны з ніжняга ўзроўню на верхні, выклікаючы інверсію колькасці часціц паміж верхнім і ніжнім узроўнямі лазера (г.зн. калі часціц з высокай энергіяй больш, чым часціцы нізкай энергіі), такія як ксенонавая лямпа ў YAG-лазерах;
3. Існуе рэзанансная паражніна, якая можа дасягаць лазерных ваганняў, павялічваць працоўную даўжыню працоўнага матэрыялу лазера, экранаваць рэжым светлавой хвалі, кантраляваць кірунак распаўсюджвання прамяня, выбарачна ўзмацняць частату стымуляванага выпраменьвання для паляпшэння манахраматычнасці (гарантуючы, што лазер выпраменьваецца з пэўнай энергіяй).
Адпаведная структура паказана на малюнку вышэй, які ўяўляе сабой простую структуру YAG-лазера. Іншыя структуры могуць быць больш складанымі, але сутнасць такая. Працэс генерацыі лазера паказаны на малюнку:
Класіфікацыя лазера: звычайна класіфікуецца па асяроддзі ўзмацнення або па форме энергіі лазера
Узмацненне сярэдняй класіфікацыі:
Вуглякіслы лазер: Асяроддзем узмацнення вуглякіслага лазера з'яўляецца гелій іCO2 лазер,з даўжынёй хвалі лазера 10,6 мкм, які з'яўляецца адным з самых ранніх лазерных прадуктаў, выпушчаных на рынак. Ранняя лазерная зварка ў асноўным была заснавана на вуглякіслым лазеры, які ў цяперашні час у асноўным выкарыстоўваецца для зваркі і рэзкі неметалічных матэрыялаў (тканін, пластмас, дрэва і г.д.). Акрамя таго, ён таксама выкарыстоўваецца на літаграфічных машынах. Лазер на вуглякіслым газе не можа перадавацца праз аптычныя валакна і праходзіць па прасторавых аптычных шляхах. Самы ранні Tongkuai быў зроблены адносна добра, і выкарыстоўвалася шмат рэжучага абсталявання;
Лазер YAG (ітрыева-алюмініевы гранат): крышталі YAG, дапаваныя металічнымі іёнамі неадыму (Nd) або ітрыю (Yb), выкарыстоўваюцца ў якасці асяроддзя ўзмацнення лазера з даўжынёй хвалі выпраменьвання 1,06 мкм. YAG-лазер можа выдаваць больш высокія імпульсы, але сярэдняя магутнасць нізкая, а пікавая магутнасць можа ў 15 разоў перавышаць сярэднюю магутнасць. Калі гэта ў асноўным імпульсны лазер, бесперапынны выхад не можа быць дасягнуты; Але ён можа перадавацца праз аптычныя валокны, і ў той жа час хуткасць паглынання металічных матэрыялаў павялічваецца, і ён пачынае прымяняцца ў матэрыялах з высокай адбівальнай здольнасцю, упершыню ўжытых у полі 3C;
Валаконны лазер: у цяперашні час на рынку ў якасці ўзмацняльнага асяроддзя выкарыстоўваецца валакно, легаванае ітэрбіем, з даўжынёй хвалі 1060 нм. Далей ён дзеліцца на валаконны і дыскавы лазеры ў залежнасці ад формы асяроддзя; Оптавалакно ўяўляе сабой IPG, а дыск - Tongkuai.
Паўправадніковы лазер: асяроддзем узмацнення з'яўляецца паўправадніковы PN-пераход, а даўжыня хвалі паўправадніковага лазера складае ў асноўным 976 нм. У цяперашні час для ашалёўкі ў асноўным выкарыстоўваюцца паўправадніковыя лазеры блізкага інфрачырвонага дыяпазону са светлавымі плямамі вышэй за 600 мкм. Laserline з'яўляецца прадстаўніком прадпрыемства паўправадніковых лазераў.
Класіфікуюць па форме энергетычнага ўздзеяння: імпульсны лазер (PULSE), квазінеперарыўны лазер (QCW), бесперапынны лазер (CW).
Імпульсны лазер: нанасекундны, пікасекундны, фемтасекундны, гэты высокачашчынны імпульсны лазер (нс, шырыня імпульсу) можа часта дасягаць высокай пікавай энергіі, высокачашчыннай (МГЦ) апрацоўкі, выкарыстоўваецца для апрацоўкі тонкіх медных і алюмініевых розных матэрыялаў, а таксама для ачысткі ў асноўным . Выкарыстоўваючы высокую пікавую энергію, ён можа хутка расплавіць асноўны матэрыял з малым часам дзеяння і невялікай зонай цеплавога ўздзеяння. Ён мае перавагі ў апрацоўцы звыштонкіх матэрыялаў (ніжэй 0,5 мм);
Квазібесперапынны лазер (QCW): з-за высокай частаты паўтарэння і нізкага працоўнага цыклу (ніжэй за 50%) шырыня імпульсуQCW лазердасягае 50 us-50 мс, запаўняючы разрыў паміж бесперапынным валаконным лазерам з кілаватным узроўнем і імпульсным лазерам з модуляцыяй добротнасці; Пікавая магутнасць квазібесперапыннага валаконнага лазера можа ў 10 разоў перавышаць сярэднюю магутнасць пры бесперапыннай працы. Лазеры QCW звычайна маюць два рэжымы: адзін - гэта бесперапынная зварка пры нізкай магутнасці, а другі - імпульсная лазерная зварка з пікавай магутнасцю, якая ў 10 разоў перавышае сярэднюю магутнасць, што дазваляе дасягнуць больш тоўстых матэрыялаў і зваркі з большай тэмпературай, адначасова кантралюючы цяпло ў межах вельмі малы дыяпазон;
Бесперапынны лазер (CW): Гэта найбольш часта выкарыстоўваецца, і большасць лазераў, якія можна ўбачыць на рынку, з'яўляюцца бесперапыннымі лазерамі, якія бесперапынна выдаюць лазер для зваркі. Валаконныя лазеры дзеляцца на аднамодавыя і шматмодавыя лазеры ў залежнасці ад розных дыяметраў стрыжня і якасці прамяня, і іх можна адаптаваць да розных сцэнарыяў прымянення.
Час публікацыі: 20 снежня 2023 г
