A lézergenerálás elve

Miért kell ismernünk a lézerek elvét?

Az elterjedt félvezető lézerek, szálak, lemezek, illYAG lézersegíthet abban is, hogy a kiválasztási folyamat során jobban megértsük és több megbeszélést folytassunk.

A cikk elsősorban a népszerű tudományra fókuszál: röviden bemutatja a lézergenerálás elvét, a lézerek fő szerkezetét, és számos elterjedt lézertípust.

Először is, a lézergenerálás elve

A lézer a fény és az anyag közötti kölcsönhatás révén jön létre, amelyet stimulált sugárzás-erősítésnek neveznek; A stimulált sugárzás erősítésének megértéséhez meg kell érteni Einstein spontán emisszióról, stimulált abszorpcióról és stimulált sugárzásról alkotott elképzeléseit, valamint néhány szükséges elméleti alapot.

1. elméleti alap: Bohr-modell

A Bohr-modell elsősorban az atomok belső szerkezetét adja meg, így könnyen megérthető, hogyan keletkeznek a lézerek. Az atom egy magból és az atommagon kívüli elektronokból áll, és az elektronok pályái nem önkényesek. Az elektronoknak csak bizonyos pályáik vannak, ezek közül a legbelső pályát alapállapotnak nevezzük; Ha egy elektron alapállapotban van, energiája a legalacsonyabb. Ha egy elektron kiugrik egy pályáról, azt első gerjesztett állapotnak nevezzük, és az első gerjesztett állapot energiája nagyobb lesz, mint az alapállapoté; Egy másik pályát második gerjesztett állapotnak nevezünk;

A lézer azért fordulhat elő, mert ebben a modellben az elektronok különböző pályákon mozognak. Ha az elektronok energiát nyelnek el, akkor az alapállapotból a gerjesztett állapotba futhatnak; Ha egy elektron a gerjesztett állapotból visszatér az alapállapotba, energiát szabadít fel, ami gyakran lézer formájában szabadul fel.

2. elméleti alap: Einstein stimulált sugárzás elmélete

Einstein 1917-ben javasolta a stimulált sugárzás elméletét, amely a lézerek és a lézergyártás elméleti alapja: az anyag abszorpciója vagy emissziója alapvetően a sugárzási mező és az anyagot alkotó részecskék, valamint annak magja közötti kölcsönhatás eredménye. lényege a részecskék különböző energiaszintek közötti átmenete. A fény és az anyag közötti kölcsönhatásban három különböző folyamat létezik: spontán emisszió, stimulált emisszió és stimulált abszorpció. Egy nagyszámú részecskét tartalmazó rendszer esetében ez a három folyamat mindig együtt létezik, és szorosan összefügg.

Spontán emisszió:

Amint az ábrán látható: egy elektron az E2 nagyenergiájú szinten spontán átlép az alacsony energiájú E1 szintre, és hv energiájú fotont bocsát ki, és hv=E2-E1; Ezt a spontán és nem összefüggő átmeneti folyamatot spontán átmenetnek, a spontán átmenetek által kibocsátott fényhullámokat pedig spontán sugárzásnak nevezzük.

A spontán emisszió jellemzői: Minden foton független, eltérő irányú és fázisú, és az előfordulási idő is véletlenszerű. Az inkoherens és kaotikus fényhez tartozik, amely nem a lézer által igényelt fény. Ezért a lézergenerálási folyamatnak csökkentenie kell az ilyen típusú szórt fényt. Ez is az egyik oka annak, hogy a különböző lézerek hullámhosszában szórt fény van. Ha jól szabályozzuk, a lézerben a spontán emisszió aránya figyelmen kívül hagyható. Minél tisztább a lézer, mint például az 1060 nm, az mind 1060 nm. Ez a lézertípus viszonylag stabil abszorpciós sebességgel és teljesítménnyel rendelkezik.

Stimulált felszívódás:

Az elektronok alacsony energiaszinten (alacsony pályán), fotonok elnyelése után magasabb energiaszintekre (magas pályák) lépnek át, és ezt a folyamatot stimulált abszorpciónak nevezik. A stimulált abszorpció kulcsfontosságú és az egyik kulcsfontosságú pumpálási folyamat. A lézer pumpás forrása fotonenergiát biztosít, hogy az erősítő közegben lévő részecskék átmenetet idézzenek elő, és magasabb energiaszinten várják a stimulált sugárzást, kibocsátva a lézert.

Stimulált sugárzás:

Külső energia fényének besugárzásakor (hv=E2-E1) a magas energiaszintű elektront a külső foton gerjeszti, és az alacsony energiájú szintre ugrik (a magas pálya az alacsony pályára fut). Ugyanakkor olyan fotont bocsát ki, amely pontosan megegyezik a külső fotonnal. Ez a folyamat nem nyeli el az eredeti gerjesztő fényt, így két egyforma foton lesz, ami úgy értelmezhető, hogy az elektron kiköpi a korábban elnyelt fotont, Ezt a lumineszcencia folyamatot stimulált sugárzásnak nevezzük, ami a stimulált abszorpció fordított folyamata.

Az elmélet tisztázása után nagyon egyszerű lézert építeni, ahogy a fenti ábra is mutatja: normál anyagstabilitási körülmények között az elektronok túlnyomó többsége alapállapotban van, az elektronok alapállapotban vannak, a lézer pedig attól függ, stimulált sugárzás. Ezért a lézer felépítése az, hogy először stimulált abszorpció történjen, az elektronokat magas energiaszintre hozza, majd gerjesztést biztosít, hogy nagyszámú, nagy energiájú elektront stimulált sugárzásnak kitéve, amiből fotonok szabadulnak fel. lézer állítható elő. Ezután bemutatjuk a lézer szerkezetét.

Lézer szerkezet:

Párosítsa a lézerszerkezetet a korábban említett lézergenerálási feltételekkel egyenként:

Az előfordulás feltétele és a megfelelő szerkezet:

1. Lézeres munkaközegként létezik egy erősítő közeg, amely erősítő hatást biztosít, és aktivált részecskéi stimulált sugárzás generálására alkalmas energiaszintű szerkezettel rendelkeznek (főleg nagy energiájú pályákra képes elektronokat pumpálni és meghatározott ideig létezni , majd egy lélegzetben fotonokat szabadítanak fel stimulált sugárzás révén);

2. Létezik egy külső gerjesztő forrás (szivattyúforrás), amely elektronokat pumpálhat az alsó szintről a felső szintre, ami részecskeszám-inverziót okoz a lézer felső és alsó szintje között (azaz ha több nagy energiájú részecske van, mint alacsony energiájú részecskék), mint például a xenon lámpa a YAG lézerekben;

3. Van egy rezonáns üreg, amely képes elérni a lézeres oszcillációt, növelni a lézeres munkaanyag munkahosszát, átvilágítani a fényhullám módot, szabályozni a sugár terjedési irányát, szelektíven felerősíteni a stimulált sugárzás frekvenciáját a monokromatikusság javítása érdekében (biztosítva, hogy a lézer egy bizonyos energiával áramlik ki).

A megfelelő szerkezet a fenti ábrán látható, amely egy YAG lézer egyszerű szerkezete. Más struktúrák bonyolultabbak lehetnek, de a lényeg ez. A lézergenerálás folyamata az ábrán látható:

Lézeres besorolás: általában erősítőközeg vagy lézerenergia-forma szerint osztályozzák

Közepes besorolás megszerzése:

Szén-dioxid lézer: A széndioxid lézer erősítő közege a hélium ésCO2 lézer,10,6 um lézerhullámhosszúsággal, amely az egyik legkorábban piacra kerülő lézertermék. A korai lézeres hegesztés elsősorban szén-dioxid lézeren alapult, amelyet jelenleg elsősorban nem fémes anyagok (szövetek, műanyagok, fa stb.) hegesztésére és vágására használnak. Ezenkívül litográfiai gépeken is használják. A szén-dioxid lézer nem továbbítható optikai szálakon, és térbeli optikai utakon halad. A legkorábbi Tongkuai viszonylag jól sikerült, és sok vágóberendezést használtak;

YAG (itrium-alumínium gránát) lézer: neodímium (Nd) vagy ittrium (Yb) fémionokkal adalékolt YAG kristályokat használnak lézererősítő közegként, 1,06 um emissziós hullámhosszal. A YAG lézer nagyobb impulzusokat képes kiadni, de az átlagos teljesítmény alacsony, és a csúcsteljesítmény elérheti az átlagos teljesítmény 15-szörösét. Ha főként impulzuslézerről van szó, a folyamatos kimenet nem érhető el; De optikai szálakon keresztül továbbítható, és ezzel egyidejűleg a fémanyagok abszorpciós sebessége nő, és kezdik alkalmazni a nagy reflexiós anyagokban, először a 3C mezőben;

Szálas lézer: A jelenlegi mainstream a piacon ytterbiummal adalékolt szálat használ erősítő közegként, 1060 nm hullámhosszal. A közeg alakja alapján tovább oszlik szálas és lemezes lézerekre; A száloptika az IPG-t, míg a lemez a Tongkuai-t képviseli.

Félvezető lézer: Az erősítő közeg egy félvezető PN átmenet, és a félvezető lézer hullámhossza főként 976 nm. Jelenleg a félvezető közeli infravörös lézereket főként burkolásra használják, 600 um feletti fényfoltokkal. A Laserline a félvezető lézerek reprezentatív vállalkozása.

Az energiahatás formája szerint osztályozva: impulzuslézer (PULSE), kvázi folyamatos lézer (QCW), folyamatos lézer (CW)

Impulzuslézer: nanoszekundum, pikoszekundum, femtoszekundum, ez a nagyfrekvenciás impulzuslézer (ns, impulzusszélesség) gyakran nagy csúcsenergiát, nagyfrekvenciás (MHZ) feldolgozást tud elérni, vékony réz és alumínium különböző anyagok feldolgozására, valamint többnyire tisztítására használják . Magas csúcsenergia felhasználásával gyorsan megolvasztja az alapanyagot, alacsony hatásidővel és kis hőhatású zónával. Előnyei vannak az ultravékony anyagok feldolgozásakor (0,5 mm alatt);

Kvázi folyamatos lézer (QCW): A nagy ismétlési gyakoriság és az alacsony (50% alatti) terhelhetőség miatt az impulzusszélességQCW lézereléri az 50 us-50 ms-ot, kitöltve a kilowatt szintű folyamatos szálas lézer és a Q-kapcsolt impulzuslézer közötti űrt; A kvázi folyamatos szálas lézer csúcsteljesítménye folyamatos üzemmódban elérheti az átlagos teljesítmény 10-szeresét. A QCW lézerek általában két üzemmóddal rendelkeznek, az egyik a folyamatos hegesztés alacsony teljesítményen, a másik pedig az impulzusos lézerhegesztés, amelynek csúcsteljesítménye az átlagos teljesítmény 10-szerese, amivel vastagabb anyagokat és több hőhegesztést lehet elérni, miközben a hőt is szabályozza nagyon kis hatótávolság;

Folyamatos lézer (CW): Ez a leggyakrabban használt lézer, és a piacon látható lézerek többsége CW lézer, amely folyamatosan lézert bocsát ki hegesztési feldolgozáshoz. A szálas lézereket egymódusú és többmódusú lézerekre osztják a különböző magátmérők és sugárminőség szerint, és különböző alkalmazási forgatókönyvekhez illeszthetők.