Varför behöver vi känna till principen för lasrar?
Att känna till skillnaderna mellan vanliga halvledarlasrar, fibrer, skivor ochYAG laserkan också bidra till att få en bättre förståelse och engagera sig i fler diskussioner under urvalsprocessen.
Artikeln fokuserar främst på populärvetenskap: en kort introduktion till principen om lasergenerering, lasrarnas huvudstruktur och flera vanliga typer av lasrar.
För det första principen om lasergenerering
Laser genereras genom interaktionen mellan ljus och materia, känd som stimulerad strålningsförstärkning; För att förstå stimulerad strålningsförstärkning krävs att man förstår Einsteins begrepp om spontan emission, stimulerad absorption och stimulerad strålning, såväl som några nödvändiga teoretiska grunder.
Teoretisk grund 1: Bohrmodell
Bohr-modellen tillhandahåller huvudsakligen atomernas inre struktur, vilket gör det enkelt att förstå hur lasrar uppstår. En atom är sammansatt av en kärna och elektroner utanför kärnan, och elektronernas orbitaler är inte godtyckliga. Elektroner har bara vissa orbitaler, bland vilka den innersta orbitalen kallas för grundtillstånd; Om en elektron är i grundtillstånd är dess energi lägst. Om en elektron hoppar ut ur en omloppsbana kallas det det första exciterade tillståndet, och energin i det första exciterade tillståndet kommer att vara högre än i grundtillståndet; En annan omloppsbana kallas det andra exciterade tillståndet;
Anledningen till att laser kan uppstå är för att elektroner kommer att röra sig i olika banor i denna modell. Om elektroner absorberar energi kan de springa från grundtillståndet till det exciterade tillståndet; Om en elektron återgår från det exciterade tillståndet till grundtillståndet kommer den att frigöra energi, som ofta frigörs i form av en laser.
Teoretisk grund 2: Einsteins teori om stimulerad strålning
År 1917 föreslog Einstein teorin om stimulerad strålning, som är den teoretiska grunden för laser och laserproduktion: absorptionen eller emissionen av materia är i huvudsak resultatet av interaktionen mellan strålningsfältet och partiklarna som utgör materien, och dess kärna. essensen är övergången av partiklar mellan olika energinivåer. Det finns tre olika processer i samspelet mellan ljus och materia: spontan emission, stimulerad emission och stimulerad absorption. För ett system som innehåller ett stort antal partiklar finns dessa tre processer alltid samexisterande och är nära besläktade.
Spontan emission:
Som visas i figuren: en elektron på högenerginivån E2 övergår spontant till lågenerginivån E1 och avger en foton med energin hv, och hv=E2-E1; Denna spontana och orelaterade övergångsprocess kallas spontan övergång, och ljusvågorna som emitteras av spontana övergångar kallas spontan strålning.
Egenskaperna för spontan emission: Varje foton är oberoende, med olika riktningar och faser, och uppkomsttiden är också slumpmässig. Det tillhör osammanhängande och kaotiskt ljus, vilket inte är det ljus som lasern kräver. Därför måste lasergenereringsprocessen minska denna typ av ströljus. Detta är också en av anledningarna till att våglängden hos olika lasrar har ströljus. Om den kontrolleras väl kan andelen spontan emission i lasern ignoreras. Ju renare laser, som 1060 nm, den är hela 1060 nm. Denna typ av laser har en relativt stabil absorptionshastighet och kraft.
Stimulerad absorption:
Elektroner vid låga energinivåer (låga orbitaler), efter att ha absorberat fotoner, övergår till högre energinivåer (höga orbitaler), och denna process kallas stimulerad absorption. Stimulerad absorption är avgörande och en av de viktigaste pumpprocesserna. Laserns pumpkälla tillhandahåller fotonenergi för att få partiklar i förstärkningsmediet att övergå och vänta på stimulerad strålning vid högre energinivåer, vilket sänder ut lasern.
Stimulerad strålning:
När den bestrålas av ljuset från extern energi (hv=E2-E1), exciteras elektronen på den höga energinivån av den externa fotonen och hoppar till den låga energinivån (den höga omloppsbanan går till den låga omloppsbanan). Samtidigt avger den en foton som är exakt samma som den externa fotonen. Denna process absorberar inte det ursprungliga excitationsljuset, så det kommer att finnas två identiska fotoner, vilket kan förstås som att elektronen spottar ut den tidigare absorberade fotonen. Denna luminescensprocess kallas stimulerad strålning, vilket är den omvända processen av stimulerad absorption.
Efter att teorin är klar är det mycket enkelt att bygga en laser, som visas i figuren ovan: under normala materialstabilitetsförhållanden är de allra flesta elektroner i grundtillstånd, elektroner i grundtillstånd och laser beror på stimulerad strålning. Därför är strukturen hos lasern att tillåta stimulerad absorption att inträffa först, föra elektroner till den höga energinivån, och sedan tillhandahålla en excitation för att få ett stort antal högenerginivåelektroner att genomgå stimulerad strålning, vilket frigör fotoner. laser kan genereras. Därefter kommer vi att introducera laserstrukturen.
Laserstruktur:
Matcha laserstrukturen med lasergenereringsförhållandena som nämnts tidigare en efter en:
Tillstånd för händelse och motsvarande struktur:
1. Det finns ett förstärkningsmedium som ger förstärkningseffekt som laserarbetsmedium, och dess aktiverade partiklar har en energinivåstruktur som är lämplig för att generera stimulerad strålning (huvudsakligen kan pumpa elektroner till högenergiorbitaler och existera under en viss tidsperiod , och sedan släppa fotoner i ett andetag genom stimulerad strålning);
2. Det finns en extern excitationskälla (pumpkälla) som kan pumpa elektroner från den lägre nivån till den övre nivån, vilket orsakar inversion av partikelantal mellan de övre och nedre nivåerna av lasern (dvs. när det finns fler högenergipartiklar än lågenergipartiklar), såsom xenonlampan i YAG-lasrar;
3. Det finns en resonanshålighet som kan uppnå laseroscillation, öka arbetslängden för laserarbetsmaterialet, avskärma ljusvågsläget, kontrollera strålens utbredningsriktning, selektivt förstärka den stimulerade strålningsfrekvensen för att förbättra monokromaticiteten (som säkerställer att lasern matas ut med en viss energi).
Motsvarande struktur visas i ovanstående figur, som är en enkel struktur av en YAG-laser. Andra strukturer kan vara mer komplexa, men kärnan är denna. Lasergenereringsprocessen visas i figuren:
Laserklassificering: klassificeras vanligtvis efter förstärkningsmedium eller laserenergiform
Få medelklassificering:
Koldioxidlaser: Förstärkningsmediet för koldioxidlaser är helium ochCO2 laser,med en laservåglängd på 10,6um, vilket är en av de tidigaste laserprodukterna som har lanserats. Den tidiga lasersvetsningen baserades huvudsakligen på koldioxidlaser, som idag främst används för svetsning och skärning av icke-metalliska material (tyger, plaster, trä etc.). Dessutom används den även på litografimaskiner. Koldioxidlaser kan inte överföras genom optiska fibrer och färdas genom rumsliga optiska banor. Den tidigaste Tongkuai gjordes relativt bra, och mycket skärutrustning användes;
YAG (yttrium aluminium granat) laser: YAG kristaller dopade med neodym (Nd) eller yttrium (Yb) metalljoner används som laserförstärkningsmedium, med en emissionsvåglängd på 1,06um. YAG-lasern kan mata ut högre pulser, men medeleffekten är låg och toppeffekten kan nå 15 gånger medeleffekten. Om det huvudsakligen är en pulslaser kan kontinuerlig uteffekt inte uppnås; Men det kan överföras genom optiska fibrer, och samtidigt ökar absorptionshastigheten för metallmaterial, och det börjar appliceras i material med hög reflektivitet, först applicerat i 3C-fältet;
Fiberlaser: Den nuvarande huvudströmmen på marknaden använder ytterbiumdopad fiber som förstärkningsmedium, med en våglängd på 1060nm. Den är vidare uppdelad i fiber- och skivlasrar baserat på mediets form; Fiberoptik representerar IPG, medan skiva representerar Tongkuai.
Halvledarlaser: Förstärkningsmediet är en halvledar-PN-övergång, och våglängden på halvledarlasern är huvudsakligen 976 nm. För närvarande används nästan infraröda halvledarlasrar främst för beklädnad, med ljuspunkter över 600um. Laserline är ett representativt företag för halvledarlasrar.
Klassificeras efter formen av energiverkan: Pulslaser (PULSE), kvasikontinuerlig laser (QCW), kontinuerlig laser (CW)
Pulslaser: nanosekund, pikosekund, femtosekund, denna högfrekventa pulslaser (ns, pulsbredd) kan ofta uppnå hög toppenergi, högfrekvent (MHZ) bearbetning, som används för att bearbeta tunna koppar- och aluminiummaterial som skiljer sig från varandra, samt för rengöring mestadels . Genom att använda hög toppenergi kan den snabbt smälta basmaterialet, med låg verkanstid och liten värmepåverkad zon. Det har fördelar vid bearbetning av ultratunna material (under 0,5 mm);
Kvasikontinuerlig laser (QCW): På grund av hög repetitionsfrekvens och låg arbetscykel (under 50%), pulsbredden avQCW lasernår 50 us-50 ms, fyller gapet mellan kilowattnivå kontinuerlig fiberlaser och Q-switched pulslaser; Toppeffekten för en kvasi-kontinuerlig fiberlaser kan nå 10 gånger den genomsnittliga effekten under kontinuerlig drift. QCW-lasrar har i allmänhet två lägen, det ena är kontinuerlig svetsning med låg effekt, och det andra är pulsad lasersvetsning med en toppeffekt på 10 gånger den genomsnittliga effekten, vilket kan uppnå tjockare material och mer värmesvetsning, samtidigt som den kontrollerar värmen inom en mycket liten räckvidd;
Continuous Laser (CW): Detta är den vanligaste, och de flesta lasrar som finns på marknaden är CW-lasrar som kontinuerligt matar ut laser för svetsning. Fiberlasrar delas in i singel- och multimodslasrar enligt olika kärndiametrar och strålkvaliteter och kan anpassas till olika applikationsscenarier.
Posttid: 2023-12-20
