Prinsipe fan lasergeneraasje

Wêrom moatte wy it prinsipe fan lasers witte?

De ferskillen kenne tusken gewoane healgeleiderlasers, fezels, skiven enYAG-laserkin ek helpe om in better begryp te krijen en mear diskusjes te dielen tidens it seleksjeproses.

It artikel rjochtet him benammen op populêre wittenskip: in koarte ynlieding ta it prinsipe fan lasergeneraasje, de haadstruktuer fan lasers, en ferskate mienskiplike soarten lasers.

Earst, it prinsipe fan lasergeneraasje

Laser wurdt generearre troch de ynteraksje tusken ljocht en matearje, bekend as stimulearre strielingsfersterking; It begripen fan stimulearre strielingsfersterking fereasket it begripen fan Einstein's konsepten fan spontane emisje, stimulearre absorpsje en stimulearre strieling, lykas ek guon needsaaklike teoretyske fûneminten.

Teoretyske basis 1: Bohr-model

It Bohr-model jout benammen de ynterne struktuer fan atomen, wêrtroch it maklik te begripen is hoe't lasers foarkomme. In atoom bestiet út in kearn en elektroanen bûten de kearn, en de orbitalen fan elektroanen binne net willekeurich. Elektroanen hawwe allinich bepaalde orbitalen, wêrfan de binnenste orbitaal de grûntastân neamd wurdt; As in elektron yn 'e grûntastân is, is syn enerzjy it leechst. As in elektron út in baan springt, wurdt it de earste oansleine tastân neamd, en de enerzjy fan 'e earste oansleine tastân sil heger wêze as dy fan 'e grûntastân; in oare baan wurdt de twadde oansleine tastân neamd;

De reden wêrom't laser foarkomme kin is om't elektroanen yn dit model yn ferskillende banen bewege. As elektroanen enerzjy opnimme, kinne se fan 'e grûntastân nei de oanstutsen steat gean; as in elektron weromkomt fan 'e oanstutsen steat nei de grûntastân, sil it enerzjy frijjaan, dy't faak frijkomt yn 'e foarm fan in laser.

Teoretyske basis 2: Einstein syn stimulearre strielingsteory

Yn 1917 stelde Einstein de teory fan stimulearre strieling foar, dy't de teoretyske basis is foar lasers en laserproduksje: de absorpsje of útstjit fan matearje is yn essinsje it resultaat fan 'e ynteraksje tusken it strielingsfjild en de dieltsjes dy't matearje foarmje, en de kearnessinsje dêrfan is de oergong fan dieltsjes tusken ferskate enerzjynivo's. Der binne trije ferskillende prosessen yn 'e ynteraksje tusken ljocht en matearje: spontane útstjit, stimulearre útstjit en stimulearre absorpsje. Foar in systeem mei in grut oantal dieltsjes besteane dizze trije prosessen altyd neist elkoar en binne se nau besibbe.

Spontane útstjit:

Lykas te sjen is yn 'e figuer: in elektron op it hege-enerzjynivo E2 giet spontaan oer nei it lege-enerzjynivo E1 en stjoert in foton út mei in enerzjy fan hv, en hv=E2-E1; Dit spontane en net-relatearre oergongsproses wurdt spontane oergong neamd, en de ljochtweagen dy't útstjoerd wurde troch spontane oergongen wurde spontane strieling neamd.

De skaaimerken fan spontane emisje: Elk foton is ûnôfhinklik, mei ferskillende rjochtingen en fazen, en de foarkomsttiid is ek willekeurich. It heart ta ynkoherint en kaoatysk ljocht, dat net it ljocht is dat nedich is foar de laser. Dêrom moat it lasergeneraasjeproses dit soarte stroailjocht ferminderje. Dit is ek ien fan 'e redenen wêrom't de golflingte fan ferskate lasers stroailjocht hat. As it goed kontrolearre wurdt, kin it oandiel spontane emisje yn 'e laser negearre wurde. Hoe suverder de laser, lykas 1060 nm, hoe mear it allegear 1060 nm is. Dit type laser hat in relatyf stabile absorpsjesnelheid en krêft.

Stimulearre absorpsje:

Elektronen op lege enerzjynivo's (lege orbitalen) geane, nei it absorbearjen fan fotonen, oer nei hegere enerzjynivo's (hege orbitalen), en dit proses wurdt stimulearre absorpsje neamd. Stimulearre absorpsje is krúsjaal en ien fan 'e wichtichste pompprosessen. De pompboarne fan 'e laser leveret fotonenerzjy om dieltsjes yn it fersterkingsmedium te litten oergean en wachtsje op stimulearre strieling op hegere enerzjynivo's, wêrtroch't de laser útstjoerd wurdt.

Stimulearre strieling:

As it bestraald wurdt troch it ljocht fan eksterne enerzjy (hv=E2-E1), wurdt it elektron op it hege enerzjynivo oanstutsen troch it eksterne foton en springt it nei it lege enerzjynivo (de hege baan rint nei de lege baan). Tagelyk stjoert it in foton út dat krekt itselde is as it eksterne foton. Dit proses absorbearret it orizjinele oanstjitljocht net, sadat der twa identike fotonen sille wêze, wat begrepen wurde kin as it elektron it earder opnommen foton útspuidet. Dit luminesinsjeproses wurdt stimulearre strieling neamd, wat it omkearde proses is fan stimulearre absorpsje.

Nei't de teory dúdlik is, is it tige ienfâldich om in laser te bouwen, lykas te sjen is yn 'e boppesteande figuer: ûnder normale omstannichheden fan materiaalstabiliteit binne de grutte mearderheid fan 'e elektroanen yn 'e grûntastân, elektroanen yn 'e grûntastân, en is de laser ôfhinklik fan stimulearre strieling. Dêrom is de struktuer fan 'e laser om earst stimulearre absorpsje mooglik te meitsjen, wêrtroch't elektroanen nei it hege enerzjynivo brocht wurde, en dan in oanstjoering levere wurdt om in grut oantal elektroanen mei in heech enerzjynivo stimulearre strieling te ûndergean, wêrtroch't fotonen frijkomme. Hjirút kin in laser generearre wurde. Folgjende sille wy de laserstruktuer yntrodusearje.

Laserstruktuer:

Ferbine de laserstruktuer mei de earder neamde lasergeneraasjebetingsten ien foar ien:

Tastân fan foarkommen en oerienkommende struktuer:

1. Der is in fersterkingsmedium dat in fersterkingseffekt leveret as it laserwurkmedium, en syn aktivearre dieltsjes hawwe in enerzjynivo-struktuer dy't geskikt is foar it generearjen fan stimulearre strieling (benammen yn steat om elektroanen nei hege-enerzjy-orbitalen te pompen en foar in bepaalde perioade te bestean, en dan fotonen yn ien azem frij te litten fia stimulearre strieling);

2. Der is in eksterne oanstjitboarne (pompboarne) dy't elektroanen fan it legere nivo nei it boppeste nivo pompe kin, wêrtroch't in omkearing fan it oantal dieltsjes ûntstiet tusken it boppeste en legere nivo fan 'e laser (d.w.s. as der mear dieltsjes mei hege enerzjy binne as dieltsjes mei lege enerzjy), lykas de xenonlampe yn YAG-lasers;

3. Der is in resonante holte dy't laseroszillaasje berikke kin, de wurklingte fan it laserwurkmateriaal ferheegje kin, de ljochtweachmodus skermje kin, de ferspriedingsrjochting fan 'e striel kontrolearje kin, de stimulearre strielingsfrekwinsje selektyf fersterkje kin om de monochromatiteit te ferbetterjen (soarchje derfoar dat de laser mei in bepaalde enerzjy útfierd wurdt).

De oerienkommende struktuer wurdt werjûn yn 'e boppesteande figuer, dy't in ienfâldige struktuer fan in YAG-laser is. Oare struktueren kinne komplekser wêze, mar de kearn is dit. It lasergeneraasjeproses wurdt werjûn yn 'e figuer:

Laserklassifikaasje: oer it algemien klassifisearre op basis fan fersterkingsmedium of op basis fan laserenerzjyfoarm

Klassifikaasje fan fersterking fan it medium:

Koalstofdiokside laserIt fersterkingsmedium fan in koalstofdioksidelaser is helium enCO2-laser,mei in lasergolflingte fan 10.6um, dat ien fan 'e ierste laserprodukten is dy't lansearre is. It iere laserlassen wie benammen basearre op koalstofdioksidelaser, dy't op it stuit benammen brûkt wurdt foar it lassen en snijden fan net-metalen materialen (stoffen, plestik, hout, ensfh.). Derneist wurdt it ek brûkt op litografymasines. Koalstofdioksidelaser kin net troch optyske fezels oerbrocht wurde en reizget troch romtlike optyske paden. De ierste Tongkuai waard relatyf goed dien, en in protte snijapparatuer waard brûkt;

YAG (yttrium aluminium granaat) laser: YAG-kristallen dopeare mei neodymium (Nd) of yttrium (Yb) metaalioanen wurde brûkt as it laserfersterkingsmedium, mei in emisjegolflingte fan 1.06 µm. De YAG-laser kin hegere pulsen útjaan, mar it gemiddelde fermogen is leech, en it pykfermogen kin 15 kear it gemiddelde fermogen berikke. As it benammen in pulslaser is, kin gjin trochgeande útfier berikt wurde; Mar it kin oerdroegen wurde fia optyske fezels, en tagelyk nimt de absorptionssnelheid fan metalen materialen ta, en it begjint tapast te wurden yn materialen mei hege reflektiviteit, earst tapast yn it 3C-fjild;

Fiberlaser: De hjoeddeiske mainstream yn 'e merk brûkt ytterbium-dopearre glêstried as fersterkingsmedium, mei in golflingte fan 1060 nm. It is fierder ferdield yn glêstried- en skiiflasers op basis fan 'e foarm fan it medium; glêstried stiet foar IPG, wylst skiif Tongkuai stiet foar.

Healgeleiderlaser: It fersterkingsmedium is in healgeleider PN-oergong, en de golflingte fan 'e healgeleiderlaser is benammen 976 nm. Op it stuit wurde healgeleider near-infrared lasers benammen brûkt foar bekleding, mei ljochtflekken boppe 600 µm. Laserline is in represintative ûndernimming fan healgeleiderlasers.

Klassifisearre neffens de foarm fan enerzjyaksje: Pulslaser (PULSE), quasi-kontinue laser (QCW), kontinue laser (CW)

Pulslaser: nanosekonde, picosekonde, femtosekonde, dizze hege-frekwinsje pulslaser (ns, pulsbreedte) kin faak hege peakenerzjy berikke, hege-frekwinsje (MHZ) ferwurking, brûkt foar it ferwurkjen fan tinne koperen en aluminium ferskillende materialen, en ek foar it skjinmeitsjen. Troch gebrûk te meitsjen fan hege peakenerzjy kin it basismateriaal fluch smelte, mei in lege aksjetiid en in lytse waarmte-beynfloede sône. It hat foardielen by it ferwurkjen fan ultra-tinne materialen (ûnder 0.5mm);

Kwasi-kontinue laser (QCW): Fanwegen hege werhellingsfrekwinsje en lege duty cycle (ûnder 50%), is de pulsbreedte fanQCW-laserberikt 50 us-50 ms, en follet de gat tusken kilowatt-nivo trochgeande glêstriedlaser en Q-skeakele pulslaser; It pykfermogen fan in quasi trochgeande glêstriedlaser kin 10 kear it gemiddelde fermogen berikke ûnder trochgeande modusoperaasje. QCW-lasers hawwe oer it algemien twa modi, ien is trochgeande lassen by leech fermogen, en de oare is pulsearre laserlassen mei in pykfermogen fan 10 kear it gemiddelde fermogen, wat dikkere materialen en mear waarmtelassen kin berikke, wylst de waarmte ek binnen in heul lyts berik kontroleare wurdt;

Kontinue laser (CW): Dit is de meast brûkte, en de measte lasers dy't op 'e merk te sjen binne, binne CW-lasers dy't kontinu laser útstjoere foar lasferwurking. Fiberlasers wurde ferdield yn single-mode en multi-mode lasers neffens ferskate kearndiameters en strielkwaliteiten, en kinne oanpast wurde oan ferskate tapassingsscenario's.