Прынцып генерацыі лазера

Навошта нам трэба ведаць прынцып лазераў?

Веданне адрозненняў паміж распаўсюджанымі паўправадніковымі лазерамі, валокнамі, дыскамі іYAG-лазертаксама можа дапамагчы лепш зразумець і ўдзельнічаць у большай колькасці дыскусій падчас працэсу адбору.

Артыкул у асноўным прысвечаны папулярнай навуцы: кароткаму ўвядзенню ў прынцып генерацыі лазера, асноўнай структуры лазераў і некалькіх распаўсюджаных тыпаў лазераў.

Па-першае, прынцып генерацыі лазера

Лазер генеруецца ў выніку ўзаемадзеяння паміж святлом і рэчывам, вядомага як узмацненне вымушанага выпраменьвання; Разуменне ўзмацнення вымушанага выпраменьвання патрабуе разумення канцэпцый Эйнштэйна аб спантанным выпраменьванні, вымушаным паглынанні і вымушаным выпраменьванні, а таксама некаторых неабходных тэарэтычных асноў.

Тэарэтычная аснова 1: Мадэль Бора

Мадэль Бора ў асноўным апісвае ўнутраную структуру атамаў, што дазваляе лёгка зразумець, як узнікаюць лазеры. Атам складаецца з ядра і электронаў па-за ядром, і арбіталі электронаў не з'яўляюцца адвольнымі. Электроны маюць толькі пэўныя арбіталі, сярод якіх самая ўнутраная арбіталь называецца асноўным станам; калі электрон знаходзіцца ў асноўным стане, яго энергія найменшая. Калі электрон выскоквае з арбіты, ён называецца першым узбуджаным станам, і энергія першага ўзбуджанага стану будзе вышэйшай за энергію асноўнага стану; іншая арбіта называецца другім узбуджаным станам;

Прычына ўзнікнення лазернага выпраменьвання заключаецца ў тым, што ў гэтай мадэлі электроны рухаюцца 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 вызваляецца ў выглядзе лазернага выпраменьвання.

Тэарэтычная аснова 2: Тэорыя вымушанага выпраменьвання Эйнштэйна

У 1917 годзе Эйнштэйн прапанаваў тэорыю вымушанага выпраменьвання, якая з'яўляецца тэарэтычнай асновай для лазераў і лазернай вытворчасці: паглынанне або выпраменьванне рэчыва па сутнасці з'яўляецца вынікам узаемадзеяння паміж полем выпраменьвання і часціцамі, якія складаюць рэчыва, і яго асноўная сутнасць заключаецца ў пераходзе часціц паміж рознымі энергетычнымі ўзроўнямі. Існуюць тры розныя працэсы ва ўзаемадзеянні святла і рэчыва: спантаннае выпраменьванне, вымушанае выпраменьванне і вымушанае паглынанне. Для сістэмы, якая змяшчае вялікую колькасць часціц, гэтыя тры працэсы заўсёды суіснуюць і цесна звязаны.

Спантаннае выпраменьванне:

Як паказана на малюнку: электрон на высокім энергетычным узроўні E2 спантанна пераходзіць на нізкі энергетычны ўзровень E1 і выпраменьвае фатон з энергіяй hv, прычым hv=E2-E1; Гэты спантанны і не звязаны паміж сабой працэс пераходу называецца спантанным пераходам, а светлавыя хвалі, якія выпраменьваюцца спантаннымі пераходамі, называюцца спантанным выпраменьваннем.

Характарыстыкі спантаннага выпраменьвання: кожны фатон незалежны, мае розныя напрамкі і фазы, а час яго ўзнікнення таксама выпадковы. Гэта некагерэнтнае і хаатычнае святло, якое не з'яўляецца святлом, неабходным для лазера. Такім чынам, працэс генерацыі лазера павінен памяншаць гэты тып рассеянага святла. Гэта таксама адна з прычын, чаму даўжыня хвалі розных лазераў мае рассеянае святло. Пры добрым кантролі доляй спантаннага выпраменьвання ў лазеры можна занядбаць. Чым чысцейшы лазер, напрыклад, 1060 нм, тым больш 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 вымушаным паглынаннем. Вымушанае паглынанне мае вырашальнае значэнне і з'яўляецца адным з ключавых працэсаў накачкі. Крыніца накачкі лазера забяспечвае энергію фатонаў, каб прымусіць часціцы ў асяроддзі ўзмацнення перайсці ў чаканне вымушанага выпраменьвання на больш высокіх энергетычных узроўнях, выпраменьваючы лазер.

Вымушанае выпраменьванне:

Пры апраменьванні 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). Адначасова ён выпраменьвае фатон, які ідэнтычны знешняму фатону. Гэты працэс не паглынае першапачатковае ўзбуджальнае святло, таму ўтвараюцца два аднолькавыя фатоны, што можна разумець як выплёўванне электронам раней паглынутага фатона. Гэты працэс люмінесцэнцыі называецца вымушаным выпраменьваннем, якое з'яўляецца працэсам, адваротным вымушанаму паглынанню.

Пасля таго, як тэорыя зразумелая, пабудаваць лазер вельмі проста, як паказана на малюнку вышэй: пры нармальных умовах стабільнасці матэрыялу пераважная большасць электронаў знаходзіцца ў асноўным стане, і лазер залежыць ад вымушанага выпраменьвання. Такім чынам, структура лазера дазваляе спачатку адбывацца вымушанае паглынанне, даводзячы электроны да высокага энергетычнага ўзроўню, а затым забяспечваючы ўзбуджэнне, каб прымусіць вялікую колькасць электронаў высокага энергетычнага ўзроўню падвяргацца вымушанаму выпраменьванню, вызваляючы фатоны. З гэтага можна генераваць лазер. Далей мы ўвядзем структуру лазера.

Структура лазера:

Супастаўце структуру лазера з умовамі генерацыі лазера, згаданымі раней, па чарзе:

Умова ўзнікнення і адпаведная структура:

1. У якасці рабочага асяроддзя лазера выкарыстоўваецца ўзмацняльнае асяроддзе, якое забяспечвае эфект узмацнення, а яго актываваныя часціцы маюць структуру энергетычных узроўняў, прыдатную для генерацыі стымуляванага выпраменьвання (у асноўным здольныя перапампоўваць электроны на высокаэнергетычныя арбіталі і існаваць на працягу пэўнага перыяду часу, а затым вызваляць фатоны за адзін раз 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 высокай энергіі больш, чым часціц нізкай энергіі), напрыклад, ксенонавая лямпа ў YAG-лазерах;

3. Існуе рэзанансны рэзанатар, які можа дасягнуць лазерных ваганняў, павялічыць рабочую даўжыню лазернага працоўнага матэрыялу, экраніраваць рэжым светлавой хвалі, кантраляваць кірунак распаўсюджвання прамяня, выбарачна ўзмацняць частату стымуляванага выпраменьвання для паляпшэння манахраматычнасці (забяспечваючы выхад лазера з пэўнай энергіяй).

Адпаведная структура паказана на малюнку вышэй, які ўяўляе сабой простую структуру YAG-лазера. Іншыя структуры могуць быць больш складанымі, але асноўная з'яўляецца наступнай. Працэс генерацыі лазера паказаны на малюнку:

Класіфікацыя лазераў: звычайна класіфікуецца па асяроддзі ўзмацнення або па форме лазернай энергіі

Класіфікацыя сярэдняга ўзмацнення:

Лазер на вуглякіслым газеУзмацняльным асяроддзем вуглякіслага лазера з'яўляецца гелій іCO2-лазер,з даўжынёй хвалі лазера 10,6 мкм, што з'яўляецца адным з самых ранніх лазерных прадуктаў, якія былі выпушчаны. Ранняя лазерная зварка была ў асноўным 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 ў літаграфічных машынах. Вуглякіслы лазер не можа перадавацца праз аптычныя валокны і распаўсюджваецца па прасторавых аптычных шляхах, самы ранні Tongkuai быў зроблены адносна добра, і выкарыстоўвалася шмат рэжучага абсталявання;

YAG (ітрыева-алюмініевы гранат) лазер: у якасці лазернага ўзмацняльніка выкарыстоўваюцца крышталі YAG, легаваныя іёнамі металаў неадыму (Nd) або ітрыю (Yb), з даўжынёй хвалі выпраменьвання 1,06 мкм. YAG-лазер можа выдаваць больш высокія імпульсы, але сярэдняя магутнасць нізкая, а пікавая магутнасць можа дасягаць 15 разоў вышэйшай за сярэднюю магутнасць. Калі гэта ў асноўным імпульсны лазер, бесперапыннай выхадной магутнасці дасягнуць немагчыма; але ён можа перадавацца праз аптычныя валокны, і ў той жа час хуткасць паглынання металічных матэрыялаў павялічваецца, і ён пачынае ўжывацца ў матэрыялах з высокай адбівальнай здольнасцю, спачатку ў галіне 3C;

Валаконны лазер: у цяперашні час на рынку ў якасці ўзмацняльнага асяроддзя выкарыстоўваецца валакно, легаванае ітэрбіем, з даўжынёй хвалі 1060 нм. У залежнасці ад формы асяроддзя яны падзяляюцца на валаконныя і дыскавыя лазеры; валаконна-аптычны лазер прадстаўляе сабой IPG, а дыскавы — Tongkuai.

Паўправадніковы лазер: асяроддзем узмацнення з'яўляецца паўправадніковы PN-пераход, а даўжыня хвалі паўправадніковага лазера ў асноўным складае 976 нм. У цяперашні час паўправадніковыя лазеры блізкага інфрачырвонага дыяпазону ў асноўным выкарыстоўваюцца для абалонкі са светлавымі плямамі больш за 600 мкм. Laserline з'яўляецца прадстаўніком прадпрыемства паўправадніковых лазераў.

Класіфікацыя па форме ўздзеяння энергіі: імпульсны лазер (PULSE), квазібесперапынны лазер (QCW), бесперапынны лазер (CW)

Імпульсны лазер: нанасекундны, пікасекундны, фемтасекундны. Гэты высокачашчынны імпульсны лазер (нс, шырыня імпульсу) часта можа дасягнуць высокай пікавай энергіі і высокачастотнай (МГц) апрацоўкі. Ён выкарыстоўваецца для апрацоўкі тонкіх разнастайных матэрыялаў медзі і алюмінію, а таксама ў асноўным для ачысткі. Выкарыстоўваючы высокую пікавую энергію, ён можа хутка расплавіць асноўны матэрыял, з малым часам апрацоўкі і малой зонай цеплавога ўздзеяння. Ён мае перавагі пры апрацоўцы ультратонкіх матэрыялаў (менш за 0,5 мм);

Квазібесперапынны лазер (QCW): з-за высокай частаты паўтарэння і нізкага каэфіцыента запаўнення (ніжэй за 50%), шырыня імпульсуQCW-лазердасягае 50 мкс-50 мс, запаўняючы прабел паміж бесперапынным валаконным лазерам узроўню кілават і імпульсным лазерам з модуляцыяй добрасці; пікавая магутнасць квазібесперапыннага валаконнага лазера можа дасягаць 10 разоў большай за сярэднюю магутнасць у бесперапынным рэжыме працы. Лазеры з імпульснай модуляцыяй добрай якасці звычайна маюць два рэжымы: адзін - бесперапынная зварка з нізкай магутнасцю, а другі - імпульсная лазерная зварка з пікавай магутнасцю ў 10 разоў большай за сярэднюю, што дазваляе дасягнуць больш тоўстых матэрыялаў і большай цеплавой зваркі, адначасова кантралюючы цеплавую магутнасць у вельмі невялікіх межах;

Бесперапынны лазер (CW): гэта найбольш распаўсюджаны тып лазераў, і большасць лазераў, прадстаўленых на рынку, з'яўляюцца CW-лазерамі, якія бесперапынна выпраменьваюць лазер для зваркі. Валакновыя лазеры падзяляюцца на аднакадальныя і шматкадальныя ў залежнасці ад дыяметра стрыжня і якасці прамяня, і могуць быць адаптаваны да розных сцэнарыяў прымянення.