Principen för lasergenerering

Varför behöver vi känna till principen bakom lasrar?

Att känna till skillnaderna mellan vanliga halvledarlasrar, fibrer, skivor ochYAG-laserkan också bidra till att få en bättre förståelse och delta i fler diskussioner under urvalsprocessen.

Artikeln fokuserar huvudsakligen på populärvetenskap: en kort introduktion till principen för lasergenerering, lasrars huvudstruktur och flera vanliga typer av lasrar.

För det första, principen för lasergenerering

Laser genereras genom växelverkan mellan ljus och materia, känt som stimulerad strålningsförstärkning. För att förstå stimulerad strålningsförstärkning krävs det att man förstår Einsteins koncept för spontan emission, stimulerad absorption och stimulerad strålning, samt några nödvändiga teoretiska grunder.

Teoretisk grund 1: Bohr-modellen

Bohr-modellen beskriver huvudsakligen atomernas interna struktur, vilket gör det enkelt att förstå hur lasrar uppstår. En atom består av en kärna och elektroner utanför kärnan, och elektronernas orbitaler är inte godtyckliga. Elektroner har bara vissa orbitaler, bland vilka den innersta orbitalen kallas grundtillståndet; om en elektron befinner sig i grundtillståndet är dess energi den lägsta. Om en elektron hoppar ut ur en bana kallas den det första exciterade tillståndet, och energin i det första exciterade tillståndet kommer att vara högre än i grundtillståndet; en annan bana kallas det andra exciterade tillståndet;

Anledningen till att laser kan uppstå är att elektroner rör sig i olika banor i denna modell. Om elektroner absorberar energi kan de röra sig från grundtillstånd till exciterat tillstånd; om en elektron återgår från exciterat tillstånd till grundtillstånd frigör den 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 lasrar och laserproduktion: absorptionen eller emissionen av materia är i huvudsak resultatet av interaktionen mellan strålningsfältet och de partiklar som utgör materian, och dess kärna är partiklarnas övergång mellan olika energinivåer. Det finns tre olika processer i interaktionen mellan ljus och materia: spontan emission, stimulerad emission och stimulerad absorption. För ett system som innehåller ett stort antal partiklar samexisterar dessa tre processer alltid och är nära besläktade.

Spontan emission:

Som visas i figuren: en elektron på högenerginivån E2 övergår spontant till lågenerginivån E1 och emitterar en foton med energin hv, och hv=E2-E1; Denna spontana och orelaterade övergångsprocess kallas spontan övergång, och de ljusvågor som emitteras av spontana övergångar kallas spontan strålning.

Egenskaper för spontan emission: Varje foton är oberoende, med olika riktningar och faser, och uppträdandetiden är också slumpmässig. Det tillhör inkoherent 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 lasern är, till exempel 1060 nm, desto renare är den. Denna typ av laser har en relativt stabil absorptionshastighet och effekt.

Stimulerad absorption:

Elektroner vid låga energinivåer (låga orbitaler) övergår, efter att ha absorberat fotoner, 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 avger lasern.

Stimulerad strålning:

När elektronen bestrålas med ljus av extern energi (hv=E2-E1), exciteras den med hög energinivå av den externa fotonen och hoppar till låg energinivå (den höga omloppsbanan går till den låga omloppsbanan). Samtidigt avger den en foton som är exakt densamma 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 mot stimulerad absorption.

När teorin är klarlagd är det mycket enkelt att bygga en laser, som visas i figuren ovan: under normala förhållanden med materialstabilitet är den stora majoriteten av elektronerna i grundtillstånd, elektronerna i grundtillstånd och lasern är beroende av stimulerad strålning. Därför är laserns struktur att först tillåta stimulerad absorption, vilket bringar elektronerna till hög energinivå, och sedan tillhandahåller en excitation som får ett stort antal elektroner med hög energinivå att genomgå stimulerad strålning, vilket frigör fotoner. Från detta kan en laser genereras. Härnäst kommer vi att introducera laserstrukturen.

Laserstruktur:

Matcha laserstrukturen med lasergenereringsförhållandena som nämnts tidigare, en efter en:

Förekomstvillkor 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 (främst kapabla att pumpa elektroner till högenergiorbitaler och existera under en viss tidsperiod, och sedan frigöra 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 partikelantalsinversion mellan laserns övre och lägre nivåer (dvs. när det finns fler högenergipartiklar än lågenergipartiklar), såsom xenonlampan i YAG-lasrar;

3. Det finns en resonanshålighet som kan uppnå laseroscillation, öka laserarbetsmaterialets arbetslängd, skärma ljusvågsläget, styra strålens utbredningsriktning och selektivt förstärka den stimulerade strålningsfrekvensen för att förbättra monokromatisiteten (vilket säkerställer att lasern matas ut med en viss energi).

Motsvarande struktur visas i figuren ovan, som är en enkel struktur av en YAG-laser. Andra strukturer kan vara mer komplexa, men kärnan är denna. Lasergenereringsprocessen visas i figuren:

Laserklassificering: generellt klassificerad efter förstärkningsmedium eller laserenergiform

Klassificering av förstärkningsmedium:

KoldioxidlaserFörstärkningsmediet för koldioxidlaser är helium ochCO2-laser,med en laservåglängd på 10,6 µm, vilket är en av de tidigaste laserprodukterna som lanserades. Den tidiga lasersvetsningen baserades huvudsakligen på koldioxidlaser, som för närvarande huvudsakligen används för svetsning och skärning av icke-metalliska material (tyger, plast, trä etc.). Dessutom används den även på litografimaskiner. Koldioxidlaser kan inte överföras genom optiska fibrer utan färdas genom rumsliga optiska banor. Den tidigaste Tongkuai-svetsningen var relativt välgjord och mycket skärutrustning användes;

YAG-laser (yttriumaluminiumgranat): YAG-kristaller dopade med neodym (Nd) eller yttrium (Yb) metalljoner används som laserförstärkningsmedium, med en emissionsvåglängd på 1,06 µm. YAG-lasern kan mata ut högre pulser, men den genomsnittliga effekten är låg och toppeffekten kan nå 15 gånger den genomsnittliga effekten. Om det huvudsakligen är en pulslaser kan kontinuerlig utmatning inte uppnås. Men den kan överföras genom optiska fibrer, samtidigt som absorptionshastigheten för metallmaterial ökar, och den börjar tillämpas i material med hög reflektivitet, först tillämpad inom 3C-fältet.

Fiberlaser: Den nuvarande mainstreamen på marknaden använder ytterbiumdopad fiber som förstärkningsmedium, med en våglängd på 1060 nm. Den delas vidare in i fiber- och skivlasrar baserat på mediets form; fiberoptik representerar IPG, medan skiva representerar Tongkuai.

Halvledarlaser: Förstärkningsmediet är en halvledar-PN-övergång, och halvledarlaserns våglängd är huvudsakligen 976 nm. För närvarande används halvledarlasrar i nära-infrarött huvudsakligen för beklädnad, med ljusfläckar över 600 µm. Laserline är ett representativt företag för halvledarlasrar.

Klassificerad efter energiform: Pulslaser (PULSE), kvasikontinuerlig laser (QCW), kontinuerlig laser (CW)

Pulslaser: nanosekund, pikosekund, femtosekund, denna högfrekventa pulslaser (ns, pulsbredd) kan ofta uppnå hög toppenergi och högfrekvent (MHZ) bearbetning, och används för bearbetning av tunna koppar- och aluminiummaterial av olika slag, samt för rengöring. Genom att använda hög toppenergi kan den snabbt smälta basmaterialet, med kort verkningstid och en liten värmepåverkad zon. Den har fördelar vid bearbetning av ultratunna material (under 0,5 mm);

Kvasikontinuerlig laser (QCW): På grund av hög repetitionsfrekvens och låg arbetscykel (under 50 %), är pulsbredden förQCW-lasernår 50 us-50 ms, vilket fyller gapet mellan kontinuerlig fiberlaser på kilowattnivå och Q-switchad pulslaser; Toppeffekten hos en kvasikontinuerlig fiberlaser kan nå 10 gånger den genomsnittliga effekten under kontinuerlig drift. QCW-lasrar har generellt två lägen, ett är kontinuerlig svetsning vid 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 värmen kontrolleras inom ett mycket litet område;

Kontinuerlig laser (CW): Detta är den vanligaste lasern, och de flesta lasrar som finns på marknaden är CW-lasrar som kontinuerligt avger laser för svetsning. Fiberlasrar delas in i single-mode och multi-mode lasrar beroende på olika kärndiametrar och strålkvaliteter, och kan anpassas till olika applikationsscenarier.