Prinċipju tal-Ġenerazzjoni tal-Laser

Għaliex għandna bżonn inkunu nafu l-prinċipju tal-lejżers?

Jafu d-differenzi bejn lejżers semikondutturi komuni, fibri, diski, uYAG laserjista’ jgħin ukoll biex jinkiseb fehim aħjar u jidħol f’aktar diskussjonijiet matul il-proċess tal-għażla.

L-artikolu jiffoka prinċipalment fuq ix-xjenza popolari: introduzzjoni qasira għall-prinċipju tal-ġenerazzjoni tal-lejżer, l-istruttura ewlenija tal-lejżers, u diversi tipi komuni ta 'lejżers.

L-ewwelnett, il-prinċipju tal-ġenerazzjoni tal-lejżer

Il-lejżer huwa ġġenerat permezz tal-interazzjoni bejn id-dawl u l-materja, magħrufa bħala amplifikazzjoni tar-radjazzjoni stimulata; Il-fehim tal-amplifikazzjoni tar-radjazzjoni stimulata jeħtieġ li nifhmu l-kunċetti ta 'Einstein ta' emissjoni spontanja, assorbiment stimulat u radjazzjoni stimulata, kif ukoll xi pedamenti teoretiċi meħtieġa.

Bażi Teoretika 1: Mudell Bohr

Il-mudell Bohr prinċipalment jipprovdi l-istruttura interna tal-atomi, li jagħmilha faċli li wieħed jifhem kif iseħħu l-lejżers. Atomu huwa magħmul minn nukleu u elettroni barra n-nukleu, u l-orbitali tal-elettroni mhumiex arbitrarji. L-elettroni għandhom biss ċerti orbitali, li fosthom l-orbitali l-aktar ġewwa tissejjaħ l-istat fundamentali; Jekk elettron ikun fl-istat fundamentali, l-enerġija tiegħu hija l-aktar baxxa. Jekk elettron jaqbeż minn orbita, jissejjaħ l-ewwel stat eċċitati, u l-enerġija tal-ewwel stat eċċitati tkun ogħla minn dik tal-istat tal-bażi; Orbit ieħor jissejjaħ it-tieni stat eċċitati;

Ir-raġuni għaliex il-lejżer jista 'jseħħ hija minħabba li l-elettroni se jimxu f'orbiti differenti f'dan il-mudell. Jekk l-elettroni jassorbu l-enerġija, jistgħu jimxu mill-istat fundamentali għall-istat eċċitati; Jekk elettron jirritorna mill-istat eċċitati għall-istat bażiku, se jirrilaxxa l-enerġija, li ħafna drabi tiġi rilaxxata fil-forma ta 'lejżer.

Bażi Teoretika 2: It-Teorija tar-Radjazzjoni Stimolata ta' Einstein

Fl-1917, Einstein ippropona t-teorija tar-radjazzjoni stimulata, li hija l-bażi teoretika għal-lejżers u l-produzzjoni tal-laser: l-assorbiment jew l-emissjoni tal-materja hija essenzjalment ir-riżultat tal-interazzjoni bejn il-kamp tar-radjazzjoni u l-partiċelli li jiffurmaw il-materja, u l-qalba tagħha. essenza hija t-tranżizzjoni ta 'partiċelli bejn livelli ta' enerġija differenti. Hemm tliet proċessi differenti fl-interazzjoni bejn id-dawl u l-materja: emissjoni spontanja, emissjoni stimulata, u assorbiment stimulat. Għal sistema li fiha numru kbir ta 'partiċelli, dawn it-tliet proċessi dejjem jeżistu flimkien u huma relatati mill-qrib.

Emissjoni spontanja:

Kif muri fil-figura: elettron fuq il-livell ta 'enerġija għolja E2 spontanjament jgħaddi għal-livell ta' enerġija baxxa E1 u jarmi foton b'enerġija ta 'hv, u hv=E2-E1; Dan il-proċess ta 'tranżizzjoni spontanju u mhux relatat jissejjaħ transizzjoni spontanja, u l-mewġ tad-dawl emess minn tranżizzjonijiet spontanji jissejħu radjazzjoni spontanja.

Il-karatteristiċi tal-emissjoni spontanja: Kull foton huwa indipendenti, b'direzzjonijiet u fażijiet differenti, u l-ħin tal-okkorrenza huwa wkoll każwali. Jappartjeni għal dawl inkoerenti u kaotiku, li mhuwiex id-dawl meħtieġ mill-lejżer. Għalhekk, il-proċess tal-ġenerazzjoni tal-lejżer jeħtieġ li jnaqqas dan it-tip ta 'dawl mitluf. Din hija wkoll waħda mir-raġunijiet għaliex il-wavelength ta 'diversi lejżers għandu dawl mitluf. Jekk ikkontrollat ​​tajjeb, il-proporzjon ta 'emissjoni spontanja fil-lejżer jista' jiġi injorat. L-aktar pur il-lejżer, bħal 1060 nm, huwa kollu 1060 nm, Dan it-tip ta 'laser għandu rata ta' assorbiment u qawwa relattivament stabbli.

Assorbiment stimulat:

Elettroni f'livelli baxxi ta 'enerġija (orbitali baxxi), wara li jassorbu fotoni, transizzjoni għal livelli ta' enerġija ogħla (orbitali għoljin), u dan il-proċess jissejjaħ assorbiment stimulat. L-assorbiment stimulat huwa kruċjali u wieħed mill-proċessi ewlenin tal-ippumpjar. Is-sors tal-pompa tal-lejżer jipprovdi enerġija tal-fotoni biex jikkawża partiċelli fil-medja tal-qligħ għat-tranżizzjoni u stenna radjazzjoni stimulata f'livelli ogħla ta 'enerġija, li jarmu l-lejżer.

Radjazzjoni stimulata:

Meta irradjat mid-dawl ta 'enerġija esterna (hv=E2-E1), l-elettron fil-livell ta' enerġija għolja huwa eċċitati mill-foton estern u jaqbeż għal-livell ta 'enerġija baxxa (l-orbita għolja tmur għall-orbita baxxa). Fl-istess ħin, temetti foton li huwa eżattament l-istess bħall-foton estern. Dan il-proċess ma jassorbix id-dawl ta 'eċċitazzjoni oriġinali, għalhekk se jkun hemm żewġ fotoni identiċi, li jistgħu jinftiehmu peress li l-elettron ibeżaq il-foton assorbit qabel, Dan il-proċess ta' luminixxenza jissejjaħ radjazzjoni stimulata, li hija l-proċess invers ta 'assorbiment stimulat.

Wara li t-teorija tkun ċara, huwa sempliċi ħafna li tinbena lejżer, kif muri fil-figura ta 'hawn fuq: taħt kundizzjonijiet normali ta' stabbiltà materjali, il-maġġoranza l-kbira tal-elettroni huma fl-istat fundamentali, elettroni fl-istat fundamentali, u l-lejżer jiddependi fuq radjazzjoni stimulata. Għalhekk, l-istruttura tal-lejżer hija li tippermetti li l-ewwel iseħħ l-assorbiment stimulat, li ġġib l-elettroni għal-livell għoli ta 'enerġija, u mbagħad tipprovdi eċitazzjoni biex tikkawża li numru kbir ta' elettroni ta 'livell għoli ta' enerġija jgħaddu minn radjazzjoni stimulata, li tirrilaxxa fotoni, Minn dan, laser jista 'jiġi ġġenerat. Sussegwentement, aħna se nintroduċu l-istruttura tal-lejżer.

Struttura tal-lejżer:

Qabbel l-istruttura tal-lejżer mal-kundizzjonijiet tal-ġenerazzjoni tal-lejżer imsemmija qabel waħda waħda:

Kundizzjoni tal-okkorrenza u struttura korrispondenti:

1. Hemm mezz ta 'qligħ li jipprovdi effett ta' amplifikazzjoni bħala l-mezz tax-xogħol tal-lejżer, u l-partiċelli attivati ​​tiegħu għandhom struttura ta 'livell ta' enerġija adattata biex tiġġenera radjazzjoni stimulata (prinċipalment kapaċi tippompja elettroni għal orbitali ta 'enerġija għolja u jeżistu għal ċertu perjodu ta' żmien , u mbagħad rilaxx fotoni f'nifs wieħed permezz ta 'radjazzjoni stimulata);

2. Hemm sors ta 'eċċitazzjoni estern (sors tal-pompa) li jista' jippompja elettroni mil-livell t'isfel għal-livell ta 'fuq, li jikkawża inverżjoni tan-numru tal-partiċelli bejn il-livelli ta' fuq u t'isfel tal-laser (jiġifieri, meta jkun hemm aktar partiċelli ta 'enerġija għolja minn partiċelli ta 'enerġija baxxa), bħall-lampa tal-kseno fil-lejżers YAG;

3. Hemm kavità reżonanti li tista 'tikseb oxxillazzjoni tal-lejżer, iżżid it-tul tax-xogħol tal-materjal tax-xogħol tal-lejżer, skrinja l-mod tal-mewġ tad-dawl, tikkontrolla d-direzzjoni tal-propagazzjoni tar-raġġ, amplifika b'mod selettiv il-frekwenza tar-radjazzjoni stimulata biex ittejjeb il-monokromatiċità (iżgura li l- il-laser joħroġ b'ċerta enerġija).

L-istruttura korrispondenti hija murija fil-figura ta 'hawn fuq, li hija struttura sempliċi ta' laser YAG. Strutturi oħra jistgħu jkunu aktar kumplessi, iżda l-qalba hija din. Il-proċess tal-ġenerazzjoni tal-lejżer huwa muri fil-figura:

Klassifikazzjoni tal-lejżer: ġeneralment ikklassifikata bil-medja tal-qligħ jew bil-forma tal-enerġija tal-lejżer

Ikseb klassifikazzjoni medja:

Lejżer tad-dijossidu tal-karbonju: Il-medja tal-qligħ tal-laser tad-dijossidu tal-karbonju huwa elju ulaser CO2,b'wavelength tal-lejżer ta '10.6um, li huwa wieħed mill-prodotti tal-lejżer l-aktar kmieni li għandhom jiġu mnedija. L-iwweldjar bikrija bil-lejżer kien ibbażat prinċipalment fuq laser tad-dijossidu tal-karbonju, li bħalissa jintuża prinċipalment għall-iwweldjar u l-qtugħ ta 'materjali mhux metalliċi (drappijiet, plastiks, injam, eċċ.). Barra minn hekk, jintuża wkoll fuq magni tal-litografija. Lejżer tad-dijossidu tal-karbonju ma jistax jiġi trażmess permezz ta 'fibri ottiċi u jivvjaġġa permezz ta' mogħdijiet ottiċi spazjali, L-aktar kmieni Tongkuai sar relattivament tajjeb, u ntuża ħafna tagħmir tat-tqattigħ;

YAG (ittriju aluminju granata) laser: kristalli YAG drogati b'jonji tal-metall tan-neodimju (Nd) jew ittriju (Yb) huma użati bħala l-medju tal-qligħ tal-lejżer, b'tul ta 'mewġ ta' emissjoni ta '1.06um. Il-lejżer YAG jista 'jagħti impulsi ogħla, iżda l-qawwa medja hija baxxa, u l-ogħla qawwa tista' tilħaq 15-il darba l-qawwa medja. Jekk huwa prinċipalment laser tal-polz, output kontinwu ma jistax jinkiseb; Iżda jista 'jiġi trażmess permezz ta' fibri ottiċi, u fl-istess ħin, ir-rata ta 'assorbiment ta' materjali tal-metall tiżdied, u qed tibda tiġi applikata f'materjali ta 'riflettività għolja, l-ewwel applikata fil-qasam 3C;

Lejżer tal-fibra: Il-mainstream attwali fis-suq juża fibra drogata bl-itterbju bħala l-medju ta 'qligħ, b'wavelength ta' 1060nm. Huwa aktar maqsum f'fibra u lasers diska bbażati fuq il-forma tal-medju; Il-fibra ottika tirrappreżenta l-IPG, filwaqt li d-diska tirrappreżenta Tongkuai.

Lejżer semikonduttur: Il-medju tal-qligħ huwa junction PN semikonduttur, u l-wavelength tal-laser semikonduttur huwa prinċipalment f'976nm. Bħalissa, lejżers semikondutturi qrib infra-aħmar jintużaw prinċipalment għall-kisi, b'tikek ħfief 'il fuq minn 600um. Laserline hija intrapriża rappreżentattiva ta 'lejżers semikondutturi.

Ikklassifikati skond il-forma ta 'azzjoni ta' enerġija: Lejżer tal-polz (PULSE), laser kważi kontinwu (QCW), laser kontinwu (CW)

Lejżer tal-polz: nanosecond, picosecond, femtosecond, dan il-laser tal-polz ta 'frekwenza għolja (ns, wisa' tal-polz) spiss jista 'jikseb enerġija għolja għolja, ipproċessar ta' frekwenza għolja (MHZ), użat għall-ipproċessar ta 'ram irqiq u materjali differenti tal-aluminju, kif ukoll tindif l-aktar . Bl-użu tal-ogħla enerġija għolja, jista 'malajr idub il-materjal bażi, b'ħin ta' azzjoni baxx u żona żgħira affettwata bis-sħana. Għandu vantaġġi fl-ipproċessar ta 'materjali ultra-rqaq (taħt 0.5mm);

Lejżer kważi kontinwu (QCW): Minħabba rata ta 'ripetizzjoni għolja u ċiklu ta' xogħol baxx (taħt il-50%), il-wisa 'tal-polz ta'QCW laserjilħaq 50 us-50 ms, jimla l-vojt bejn il-lejżer tal-fibra kontinwu tal-livell tal-kilowatt u l-laser tal-polz Q-switched; L-ogħla qawwa ta 'lejżer tal-fibra kważi kontinwa tista' tilħaq 10 darbiet il-qawwa medja taħt operazzjoni b'mod kontinwu. Lejżers QCW ġeneralment għandhom żewġ modi, wieħed huwa iwweldjar kontinwu b'qawwa baxxa, u l-ieħor huwa wweldjar bil-lejżer b'impulsi b'qawwa massima ta '10 darbiet il-qawwa medja, li tista' tikseb materjali eħxen u aktar iwweldjar bis-sħana, filwaqt li tikkontrolla wkoll is-sħana fi ħdan a firxa żgħira ħafna;

Laser Kontinwu (CW): Dan huwa l-aktar użat komunement, u ħafna mill-lejżers li jidhru fis-suq huma lejżers CW li kontinwament joħorġu lejżer għall-ipproċessar tal-iwweldjar. Lejżers tal-fibra huma maqsuma f'lejżers b'mod wieħed u b'ħafna modi skont dijametri tal-qalba u kwalitajiet tar-raġġ differenti, u jistgħu jiġu adattati għal xenarji ta 'applikazzjoni differenti.