A lézergeneráció elve

Miért kell ismernünk a lézerek elvét?

Ismerd a különbségeket a hagyományos félvezető lézerek, szálak, tárcsák és más hasonló eszközök között.YAG lézersegíthet a jobb megértésben és a kiválasztási folyamat során több beszélgetésben is részt venni.

A cikk főként a népszerű tudományra összpontosít: rövid bevezetés a lézergenerálás elvébe, a lézerek fő szerkezetébe és számos elterjedt lézertípusba.

Először is, a lézergenerálás elve

A lézerfény a fény és az anyag kölcsönhatása révén keletkezik, amit stimulált sugárzáserősítésnek neveznek; A stimulált sugárzáserősítés megértéséhez meg kell érteni Einstein spontán emisszió, stimulált abszorpció és stimulált sugárzás fogalmát, valamint néhány szükséges elméleti alapot.

Elméleti alap 1: Bohr-modell

A Bohr-modell főként az atomok belső szerkezetét adja meg, megkönnyítve a lézerek keletkezésének megértését. Egy atom egy atommagból és a magon kívüli elektronokból áll, és az elektronpályák nem tetszőlegesek. Az elektronoknak csak bizonyos pályáik vannak, amelyek közül a legbelső pályát alapállapotnak nevezzük; Ha egy elektron alapállapotban van, akkor az energiája a legalacsonyabb. Ha egy elektron kiugrik egy pályáról, azt az első gerjesztett állapotnak nevezzük, és az első gerjesztett állapot energiája magasabb 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 juthatnak; ha egy elektron visszatér a gerjesztett állapotból az alapállapotba, akkor energiát szabadít fel, amely gyakran lézer formájában szabadul fel.

Elméleti alap 2: Einstein stimulált sugárzás elmélete

1917-ben Einstein felvázolta a gerjesztett sugárzás elméletét, amely a lézerek és a lézersugárzás elméleti alapja: az anyag abszorpciója vagy emissziója lényegében a sugárzási mező és az anyagot alkotó részecskék kölcsönhatásának eredménye, és lényege a részecskék különböző energiaszintek közötti átmenete. A fény és az anyag kölcsönhatásában három különböző folyamat játszik szerepet: a spontán emisszió, a gerjesztett emisszió és a gerjesztett abszorpció. Nagyszámú részecskét tartalmazó rendszerben ez a három folyamat mindig együtt létezik, és szorosan összefügg egymással.

Spontán emisszió:

Amint az ábrán látható: egy elektron a nagy energiaszinten (E2) spontán átmegy az alacsony energiaszintre (E1), és egy hv energiájú fotont bocsát ki, ahol hv=E2-E1; Ezt a spontán és ehhez nem kapcsolódó átmeneti folyamatot spontán átmenetnek, a spontán átmenetek által kibocsátott fényhullámokat pedig spontán sugárzásnak nevezzük.

A spontán emisszió jellemzői: Minden foton független, különböző irányokkal és fázisokkal rendelkezik, és a bekövetkezési idő is véletlenszerű. Ez az inkoherens és kaotikus fényhez tartozik, amely nem a lézer által igényelt fény. Ezért a lézergenerálási folyamatnak csökkentenie kell az ilyen típusú kóbor fényt. Ez az egyik oka annak is, hogy a különböző lézerek hullámhossza kóbor fényt tartalmaz. Jól szabályozva a lézer spontán emissziójának aránya figyelmen kívül hagyható. Minél tisztább a lézer, például 1060 nm, annál 1060 nm-es. Az ilyen típusú lézer viszonylag stabil abszorpciós sebességgel és teljesítménnyel rendelkezik.

Stimulált felszívódás:

Az alacsony energiaszintű (alacsony pályájú) elektronok a fotonok elnyelése után magasabb energiaszintű (magas pályájú) elektronokká válnak, ezt a folyamatot stimulált abszorpciónak nevezik. A stimulált abszorpció kulcsfontosságú és az egyik legfontosabb pumpálási folyamat. A lézer pumpáló forrása fotonenergiát biztosít, hogy az erősítőközegben lévő részecskék átalakuljanak és magasabb energiaszintű stimulált sugárzásra várjanak, majd kibocsátják a lézert.

Stimulált sugárzás:

Amikor külső energiájú fénnyel (hv=E2-E1) besugározzák, a magas energiaszinten lévő elektront a külső foton gerjeszti, és az alacsony energiaszintre ugrik (a magas pálya az alacsony pályára fut). Ezzel egyidejűleg egy olyan fotont bocsát ki, amely pontosan megegyezik a külső fotonnal. Ez a folyamat nem nyeli el az eredeti gerjesztő fényt, így két azonos foton lesz, ami úgy értelmezhető, hogy az elektron kiköpi az előzőleg elnyelt fotont. Ezt a lumineszcencia folyamatot stimulált sugárzásnak nevezik, ami a stimulált abszorpció fordított folyamata.

Miután az elmélet tisztázódott, a lézer megépítése nagyon egyszerű, ahogy a fenti ábra is mutatja: normál anyagstabilitási körülmények között az elektronok túlnyomó többsége alapállapotban van, az elektronok az alapállapotban vannak, és a lézer a gerjesztett sugárzástól függ. Ezért a lézer szerkezete először lehetővé teszi a gerjesztett abszorpció bekövetkezését, amely az elektronokat magas energiaszintre hozza, majd gerjesztést biztosít, ami nagyszámú magas energiaszintű elektront gerjesztett sugárzásnak tesz ki, fotonokat szabadítva fel. Ebből lézer generálható. Ezután bemutatjuk a lézer szerkezetét.

Lézer szerkezete:

Párosítsa a lézerszerkezetet a korábban említett lézergenerálási feltételekkel, egyesével:

Előfordulás feltétele és a hozzá tartozó struktúra:

1. Létezik egy erősítő közeg, amely lézer munkaközegként erősítési hatást biztosít, és aktivált részecskéi olyan energiaszintű szerkezettel rendelkeznek, amely alkalmas a gerjesztett sugárzás előállítására (főként képesek elektronokat nagy energiájú pályákra pumpálni és egy bizonyos ideig létezni, majd gerjesztett sugárzás révén egyetlen lélegzetvétellel fotonokat szabadítani fel);

2. Létezik egy külső gerjesztőforrás (pumpaforrás), amely képes elektronokat pumpálni az alsó szintről a felső szintre, ami a lézer felső és alsó szintjei között részecskeszám-inverziót okoz (azaz amikor több nagy energiájú részecske van, mint alacsony energiájú részecske), mint például a YAG lézerek xenonlámpája;

3. Van egy rezonáns üreg, amely lézeroszcillációt érhet el, növelheti a lézer munkaanyagának munkahosszát, szűrheti a fényhullám-módot, szabályozhatja a sugár terjedési irányát, szelektíven erősítheti a stimulált sugárzási frekvenciát a monokromatikus jelleg javítása érdekében (biztosítva, hogy a lézer egy bizonyos energián kerüljön kibocsátásra).

A megfelelő szerkezet a fenti ábrán látható, amely egy YAG lézer egyszerű szerkezete. Más szerkezetek bonyolultabbak is lehetnek, de a lényeg a következő. A lézergenerálási folyamat az ábrán látható:

Lézer osztályozás: általában erősítő közeg vagy lézerenergia-forma szerint osztályozva

Közepes besorolás elérése:

Szén-dioxid lézerA szén-dioxid lézer erősítőközege hélium ésCO2 lézer,10,6 μm lézerhullámhosszal, amely az egyik legkorábban piacra dobott lézertermék. A korai lézerhegesztés főként szén-dioxid lézeren alapult, amelyet jelenleg főként nemfémes anyagok (szövetek, műanyagok, fa stb.) hegesztésére és vágására használnak. Ezenkívül litográfiai gépeken is használják. A szén-dioxid lézer nem továbbítható optikai szálakon keresztül, és térbeli optikai útvonalakon halad. A legkorábbi Tongkuai viszonylag jól sikerült, és sok vágóberendezést használtak;

YAG (ittrium-alumínium gránát) lézer: Lézererősítő közegként neodímiummal (Nd) vagy ittriummal (Yb) adalékolt YAG kristályokat használnak, 1,06 μm emissziós hullámhosszal. A YAG lézer nagyobb impulzusokat képes kibocsátani, de az átlagos teljesítmény alacsony, és a csúcsteljesítmény elérheti az átlagos teljesítmény 15-szörösét. Ha főként impulzuslézerről van szó, folyamatos kimenet nem érhető el; De optikai szálakon keresztül továbbítható, és ugyanakkor a fémes anyagok abszorpciós sebessége megnő, és egyre inkább nagy fényvisszaverő képességű anyagokban alkalmazzák, először a 3C-mezőben.

Száloptikás lézer: A piacon jelenleg elterjedt lézerek itterbiummal adalékolt szálakat használnak erősítő közegként, 1060 nm hullámhosszal. A közeg alakja alapján tovább osztják száloptikás és koronglézerekre; a száloptika az IPG-t, míg a korong a Tongkuai-t képviseli.

Félvezető lézer: Az erősítőközeg egy félvezető PN-átmenet, a félvezető lézer hullámhossza pedig főként 976 nm. Jelenleg a félvezető közeli infravörös lézereket főként plattírozásra használják, 600 µm feletti fényfoltokkal. A Laserline a félvezető lézerek reprezentatív vállalata.

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

Impulzuslézer: nanoszekundumos, pikoszekundumos, femtoszekundumos, ez a nagyfrekvenciás impulzuslézer (ns, impulzusszélesség) gyakran nagy csúcsenergiát, nagyfrekvenciás (MHZ) megmunkálást ér el, vékony réz és alumínium különböző anyagok megmunkálására, valamint főként tisztításra használják. A nagy csúcsenergia felhasználásával gyorsan megolvasztja az alapanyagot, alacsony hatásidővel és kis hőhatászónával. Előnyöket mutat az ultravékony anyagok (0,5 mm alatt) megmunkálásában;

Kvázi folyamatos lézer (QCW): A magas ismétlési frekvencia és az alacsony kitöltési tényező (50% alatt) miatt az impulzus szélességeQCW lézereléri az 50 us-50 ms-ot, kitöltve a kilowatt szintű folyamatos szálas lézer és a Q-kapcsolású impulzuslézer közötti rést; A kvázi folyamatos szálas lézer csúcsteljesítménye folyamatos üzemmódban elérheti az átlagos teljesítmény tízszeresét. A QCW lézereknek általában két üzemmódjuk van: az egyik a folyamatos hegesztés alacsony teljesítményen, a másik pedig az impulzuslézeres hegesztés, amelynek csúcsteljesítménye az átlagos teljesítmény tízszerese, így vastagabb anyagokat és nagyobb hőhegesztést lehet elérni, miközben a hőt is nagyon kis tartományon belül szabályozzák;

Folyamatos lézer (CW): Ez a leggyakrabban használt, és a piacon látható lézerek többsége CW lézer, amelyek folyamatosan bocsátanak ki lézert hegesztési feldolgozáshoz. A száloptikai lézerek egymódusú és többmódusú lézerekre oszthatók a különböző magátmérők és nyalábminőségek szerint, és különböző alkalmazási forgatókönyvekhez igazíthatók.