Prinċipju tal-Ġenerazzjoni tal-Laser

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

Li tkun taf id-differenzi bejn lejżers semikondutturi komuni, fibri, diski, uLejżer YAGjista' jgħin ukoll biex jinkiseb fehim aħjar u biex ikun hemm aktar diskussjonijiet matul il-proċess tal-għażla.

L-artiklu 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 jiġi ġġenerat permezz tal-interazzjoni bejn id-dawl u l-materja, magħrufa bħala amplifikazzjoni tar-radjazzjoni stimulata; Il-fehim tal-amplifikazzjoni tar-radjazzjoni stimulata jeħtieġ il-fehim tal-kunċetti ta' Einstein dwar l-emissjoni spontanja, l-assorbiment stimulat, u r-radjazzjoni stimulata, kif ukoll xi pedamenti teoretiċi meħtieġa.

Bażi Teoretika 1: Il-Mudell ta' Bohr

Il-mudell ta' Bohr jipprovdi prinċipalment l-istruttura interna tal-atomi, u jagħmilha faċli biex 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 intern jissejjaħ l-istat fundamentali; Jekk elettron ikun fl-istat fundamentali, l-enerġija tiegħu tkun l-aktar baxxa. Jekk elettron jaqbeż minn orbita, jissejjaħ l-ewwel stat eċċitat, u l-enerġija tal-ewwel stat eċċitat tkun ogħla minn dik tal-istat fundamentali; Orbita oħra tissejjaħ it-tieni stat eċċitat;

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

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

Fl-1917, Einstein ippropona t-teorija tar-radjazzjoni stimulata, li hija l-bażi teoretika għal-lejżers u l-produzzjoni tal-lejżer: 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-essenza ewlenija tagħha hija t-tranżizzjoni tal-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 fil-livell ta' enerġija għolja E2 jgħaddi spontanjament 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 tranżizzjoni spontanja, u l-mewġ tad-dawl emess minn tranżizzjonijiet spontanji jissejjaħ 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 mil-lejżer. Għalhekk, il-proċess tal-ġenerazzjoni tal-lejżer jeħtieġ li jnaqqas dan it-tip ta' dawl mitluf. Din hija wkoll waħda mir-raġunijiet għaliex it-tul tal-mewġa ta' diversi lejżers għandu dawl mitluf. Jekk ikkontrollat ​​sew, il-proporzjon ta' emissjoni spontanja fil-lejżer jista' jiġi injorat. Iktar ma jkun pur il-lejżer, bħal 1060 nm, ikun kollu 1060 nm. Dan it-tip ta' lejżer għandu rata ta' assorbiment u qawwa relattivament stabbli.

Assorbiment stimulat:

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

Radjazzjoni stimulata:

Meta jkun irradjat bid-dawl ta' enerġija esterna (hv=E2-E1), l-elettron fil-livell ta' enerġija għolja jiġi eċċitat mill-foton estern u jaqbeż għal-livell ta' enerġija baxxa (l-orbita għolja tmur għall-orbita baxxa). Fl-istess ħin, jarmi foton li huwa eżattament l-istess bħall-foton estern. Dan il-proċess ma jassorbix id-dawl ta' eċċitazzjoni oriġinali, għalhekk ikun hemm żewġ fotoni identiċi, li jistgħu jinftiehmu bħala l-elettron li joħroġ il-foton assorbit qabel. Dan il-proċess ta' luminexxenza jissejjaħ radjazzjoni stimulata, li huwa l-proċess invers tal-assorbiment stimulat.

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

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 teżisti għal ċertu perjodu ta' żmien, u mbagħad tirrilaxxa fotoni f'nifs wieħed permezz ta' radjazzjoni stimulata);

2. Hemm sors ta' eċċitazzjoni estern (sors ta' pompa) li jista' jippompja elettroni mil-livell t'isfel għal-livell ta' fuq, u jikkawża inverżjoni tan-numru ta' partiċelli bejn il-livelli ta' fuq u t'isfel tal-lejżer (jiġifieri, meta jkun hemm aktar partiċelli ta' enerġija għolja milli 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, tiskrinja l-modalità tal-mewġa tad-dawl, tikkontrolla d-direzzjoni tal-propagazzjoni tar-raġġ, tamplifika b'mod selettiv il-frekwenza tar-radjazzjoni stimulata biex ittejjeb il-monokromatiċità (tiżgura li l-lejżer 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-laser huwa muri fil-figura:

Klassifikazzjoni tal-lejżer: ġeneralment ikklassifikata skont il-mezz ta' qligħ jew skont il-forma ta' enerġija tal-lejżer

Klassifikazzjoni tal-medja tal-qligħ:

Lejżer tad-dijossidu tal-karbonjuIl-mezz ta' qligħ tal-lejżer tad-dijossidu tal-karbonju huwa l-elju uLejżer tas-CO2,b'tul ta' mewġa tal-lejżer ta' 10.6um, li huwa wieħed mill-ewwel prodotti tal-lejżer li tniedu. L-iwweldjar bil-lejżer bikri kien ibbażat prinċipalment fuq lejżer tad-dijossidu tal-karbonju, li bħalissa jintuża l-aktar għall-iwweldjar u t-tqattigħ ta' materjali mhux metalliċi (drappijiet, plastik, injam, eċċ.). Barra minn hekk, jintuża wkoll fuq magni tal-litografija. Il-lejżer tad-dijossidu tal-karbonju ma jistax jiġi trasmess permezz ta' fibri ottiċi u jivvjaġġa permezz ta' mogħdijiet ottiċi spazjali, L-ewwel Tongkuai sar relattivament tajjeb, u ntuża ħafna tagħmir tat-tqattigħ;

Lejżer YAG (granata tal-aluminju tal-ittriju): Kristalli YAG iddopjati b'joni tal-metall tan-neodimju (Nd) jew tal-ittriju (Yb) jintużaw bħala l-mezz tal-qligħ tal-lejżer, b'tul ta' mewġa ta' emissjoni ta' 1.06um. Il-lejżer YAG jista' joħroġ impulsi ogħla, iżda l-qawwa medja hija baxxa, u l-qawwa massima tista' tilħaq 15-il darba l-qawwa medja. Jekk huwa prinċipalment lejżer tal-impulsi, ma jistax jinkiseb output kontinwu; Iżda jista' jiġi trasmess permezz ta' fibri ottiċi, u fl-istess ħin, ir-rata ta' assorbiment tal-materjali tal-metall tiżdied, u qed jibda jiġi applikat f'materjali ta' riflettività għolja, applikati għall-ewwel darba fil-qasam 3C;

Lejżer tal-fibra: Is-suq ewlieni bħalissa juża fibra ddoppjata bl-itterbju bħala l-mezz ta' qligħ, b'tul ta' mewġa ta' 1060nm. Huwa maqsum aktar f'lejżers tal-fibra u tad-diska bbażati fuq il-forma tal-mezz; Il-fibra ottika tirrappreżenta l-IPG, filwaqt li d-diska tirrappreżenta t-Tongkuai.

Lejżer semikonduttur: Il-mezz ta' qligħ huwa junction PN tas-semikondutturi, u t-tul ta' mewġa tal-lejżer semikonduttur huwa prinċipalment ta' 976nm. Bħalissa, lejżers semikondutturi qrib l-infra-aħmar jintużaw prinċipalment għall-kisi, b'tikek tad-dawl 'il fuq minn 600um. Laserline hija intrapriża rappreżentattiva tal-lejżers semikondutturi.

Klassifikat skont il-forma ta' azzjoni tal-enerġija: Lejżer bil-polz (PULSE), lejżer kważi kontinwu (QCW), lejżer kontinwu (CW)

Lejżer tal-polz: nanosekonda, pikosekonda, femtosekonda, dan il-lejżer tal-polz ta' frekwenza għolja (ns, wisa' tal-polz) spiss jista' jikseb enerġija massima għolja, ipproċessar ta' frekwenza għolja (MHZ), użat għall-ipproċessar ta' materjali rqaq tar-ram u tal-aluminju differenti, kif ukoll għat-tindif l-aktar. Bl-użu ta' enerġija massima għolja, jista' jdub malajr il-materjal bażi, b'ħin ta' azzjoni baxx u żona żgħira affettwata mis-sħana. Għandu vantaġġi fl-ipproċessar ta' materjali ultra-rqaq (taħt 0.5mm);

Lejżer kważi kontinwu (QCW): Minħabba r-rata għolja ta' ripetizzjoni u ċ-ċiklu ta' dazju baxx (taħt il-50%), il-wisa' tal-impuls ta'Lejżer QCWjilħaq 50 us-50 ms, jimla l-vojt bejn il-lejżer tal-fibra kontinwa tal-livell kilowatt u l-lejżer tal-polz Q-switched; Il-qawwa massima ta' lejżer tal-fibra kważi kontinwa tista' tilħaq 10 darbiet il-qawwa medja taħt operazzjoni fil-modalità kontinwa. Il-lejżers QCW ġeneralment għandhom żewġ modi, wieħed huwa wweldjar kontinwu b'qawwa baxxa, u l-ieħor huwa wweldjar bil-lejżer tal-polz b'qawwa massima ta' 10 darbiet il-qawwa medja, li jista' jikseb materjali eħxen u aktar wweldjar bis-sħana, filwaqt li jikkontrolla wkoll is-sħana f'medda żgħira ħafna;

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