Hvorfor skal vi kende princippet om lasere?
At kende forskellene mellem almindelige halvlederlasere, fibre, diske ogYAG laserkan også være med til at opnå en bedre forståelse og indgå i flere diskussioner under udvælgelsesprocessen.
Artiklen fokuserer hovedsageligt på populærvidenskab: en kort introduktion til princippet om lasergenerering, laserens hovedstruktur og flere almindelige typer lasere.
For det første princippet om lasergenerering
Laser genereres gennem interaktionen mellem lys og stof, kendt som stimuleret strålingsforstærkning; Forståelse af stimuleret strålingsforstærkning kræver forståelse af Einsteins begreber om spontan emission, stimuleret absorption og stimuleret stråling, samt nogle nødvendige teoretiske grundlag.
Teoretisk grundlag 1: Bohr Model
Bohr-modellen giver hovedsageligt den indre struktur af atomer, hvilket gør det nemt at forstå, hvordan lasere opstår. Et atom er sammensat af en kerne og elektroner uden for kernen, og elektronernes orbitaler er ikke vilkårlige. Elektroner har kun visse orbitaler, blandt hvilke den inderste orbital kaldes grundtilstanden; Hvis en elektron er i grundtilstand, er dens energi den laveste. Hvis en elektron springer ud af en bane, kaldes det den første exciterede tilstand, og energien i den første exciterede tilstand vil være højere end grundtilstandens; En anden bane kaldes den anden exciterede tilstand;
Grunden til at laser kan opstå er fordi elektroner vil bevæge sig i forskellige baner i denne model. Hvis elektroner absorberer energi, kan de løbe fra grundtilstanden til den exciterede tilstand; Hvis en elektron vender tilbage fra den exciterede tilstand til grundtilstanden, vil den frigive energi, som ofte frigives i form af en laser.
Teoretisk grundlag 2: Einsteins stimulerede strålingsteori
I 1917 foreslog Einstein teorien om stimuleret stråling, som er det teoretiske grundlag for lasere og laserproduktion: absorption eller emission af stof er i det væsentlige resultatet af interaktionen mellem strålingsfeltet og de partikler, der udgør stoffet, og dets kerne essensen er overgangen af partikler mellem forskellige energiniveauer. Der er tre forskellige processer i samspillet mellem lys og stof: spontan emission, stimuleret emission og stimuleret absorption. For et system, der indeholder et stort antal partikler, eksisterer disse tre processer altid side om side og er tæt beslægtede.
Spontan emission:
Som vist på figuren: en elektron på højenerginiveauet E2 går spontant over til lavenerginiveauet E1 og udsender en foton med energien hv, og hv=E2-E1; Denne spontane og ikke-relaterede overgangsproces kaldes spontan overgang, og de lysbølger, der udsendes af spontane overgange, kaldes spontan stråling.
Egenskaberne ved spontan emission: Hver foton er uafhængig, med forskellige retninger og faser, og forekomsttiden er også tilfældig. Det hører til usammenhængende og kaotisk lys, som ikke er det lys, som laseren kræver. Derfor er lasergenereringsprocessen nødt til at reducere denne type strølys. Dette er også en af grundene til, at bølgelængden af forskellige lasere har spredt lys. Hvis det kontrolleres godt, kan andelen af spontan emission i laseren ignoreres. Jo renere laseren er, såsom 1060 nm, den er hele 1060 nm. Denne type laser har en relativt stabil absorptionshastighed og effekt.
Stimuleret absorption:
Elektroner ved lave energiniveauer (lave orbitaler), efter at have absorberet fotoner, går over til højere energiniveauer (høje orbitaler), og denne proces kaldes stimuleret absorption. Stimuleret absorption er afgørende og en af de vigtigste pumpeprocesser. Laserens pumpekilde giver fotonenergi til at få partikler i forstærkningsmediet til at skifte og vente på stimuleret stråling ved højere energiniveauer og udsende laseren.
Stimuleret stråling:
Når den bestråles af lyset af ekstern energi (hv=E2-E1), exciteres elektronen på det høje energiniveau af den eksterne foton og hopper til det lave energiniveau (den høje bane løber til den lave bane). Samtidig udsender den en foton, der er nøjagtig den samme som den eksterne foton. Denne proces absorberer ikke det oprindelige excitationslys, så der vil være to identiske fotoner, hvilket kan forstås som at elektronen spytter den tidligere absorberede foton ud. Denne luminescensproces kaldes stimuleret stråling, som er den omvendte proces af stimuleret absorption.
Efter at teorien er klar, er det meget simpelt at bygge en laser, som vist på ovenstående figur: Under normale forhold med materialestabilitet er langt de fleste elektroner i grundtilstand, elektroner i grundtilstand, og laser afhænger af stimuleret stråling. Derfor er strukturen af laseren at tillade stimuleret absorption at forekomme først, bringe elektroner til det høje energiniveau, og derefter tilvejebringe en excitation for at få et stort antal højenerginiveauelektroner til at undergå stimuleret stråling, frigive fotoner. laser kan genereres. Dernæst vil vi introducere laserstrukturen.
Laser struktur:
Match laserstrukturen med lasergenereringsbetingelserne nævnt tidligere én efter én:
Forekomstens tilstand og tilsvarende struktur:
1. Der er et forstærkningsmedium, der giver forstærkningseffekt som laserarbejdsmediet, og dets aktiverede partikler har en energiniveaustruktur, der er egnet til at generere stimuleret stråling (hovedsageligt i stand til at pumpe elektroner til højenergiorbitaler og eksistere i en vis periode , og derefter frigive fotoner i et åndedrag gennem stimuleret stråling);
2. Der er en ekstern excitationskilde (pumpekilde), der kan pumpe elektroner fra det nederste niveau til det øvre niveau, hvilket forårsager partikelantal inversion mellem det øvre og nedre niveau af laseren (dvs. når der er flere højenergipartikler end lavenergipartikler), såsom xenonlampen i YAG-lasere;
3. Der er et resonanshulrum, der kan opnå laseroscillation, øge arbejdslængden af laserens arbejdsmateriale, skærme lysbølgetilstanden, kontrollere strålens udbredelsesretning, selektivt forstærke den stimulerede strålingsfrekvens for at forbedre monokromaticiteten (som sikrer, at laser udsendes ved en bestemt energi).
Den tilsvarende struktur er vist i ovenstående figur, som er en simpel struktur af en YAG-laser. Andre strukturer kan være mere komplekse, men kernen er dette. Lasergenereringsprocessen er vist i figuren:
Laserklassificering: klassificeres generelt efter forstærkningsmedium eller laserenergiform
Få medium klassificering:
Kuldioxid laser: Forstærkningsmediet for kuldioxidlaseren er helium ogCO2 laser,med en laserbølgelængde på 10,6um, hvilket er et af de tidligste laserprodukter, der er lanceret. Den tidlige lasersvejsning var hovedsageligt baseret på kuldioxidlaser, som i dag hovedsageligt anvendes til svejsning og skæring af ikke-metalliske materialer (stoffer, plast, træ osv.). Derudover bruges det også på litografimaskiner. Kuldioxidlaser kan ikke transmitteres gennem optiske fibre og bevæger sig gennem rumlige optiske stier. Den tidligste Tongkuai blev udført relativt godt, og der blev brugt meget skæreudstyr;
YAG (yttrium aluminium granat) laser: YAG krystaller doteret med neodym (Nd) eller yttrium (Yb) metalioner anvendes som laserforstærkningsmediet med en emissionsbølgelængde på 1,06um. YAG-laseren kan udsende højere impulser, men den gennemsnitlige effekt er lav, og spidseffekten kan nå 15 gange den gennemsnitlige effekt. Hvis det hovedsageligt er en pulslaser, kan kontinuerlig output ikke opnås; Men det kan transmitteres gennem optiske fibre, og på samme tid øges absorptionshastigheden af metalmaterialer, og det begynder at blive anvendt i materialer med høj reflektivitet, først anvendt i 3C-feltet;
Fiberlaser: Den nuværende mainstream på markedet bruger ytterbium-doteret fiber som forstærkningsmedium med en bølgelængde på 1060nm. Den er yderligere opdelt i fiber- og disklasere baseret på mediets form; Fiberoptik repræsenterer IPG, mens disk repræsenterer Tongkuai.
Halvlederlaser: Forstærkningsmediet er en halvleder-PN-forbindelse, og halvlederlaserens bølgelængde er hovedsageligt på 976nm. I øjeblikket bruges halvledere nær-infrarøde lasere hovedsageligt til beklædning med lyspletter over 600um. Laserline er en repræsentativ virksomhed af halvlederlasere.
Klassificeret efter energihandlingens form: Puls laser (PULSE), kvasi-kontinuerlig laser (QCW), kontinuerlig laser (CW)
Pulslaser: nanosekund, pikosekund, femtosekund, denne højfrekvente pulslaser (ns, pulsbredde) kan ofte opnå høj spidsenergi, højfrekvent (MHZ) behandling, brugt til behandling af tynde kobber og aluminium uens materialer, samt rengøring for det meste . Ved at bruge høj spidsenergi kan den hurtigt smelte grundmaterialet med lav virkningstid og lille varmepåvirket zone. Det har fordele ved behandling af ultratynde materialer (under 0,5 mm);
Kvasikontinuerlig laser (QCW): På grund af høj gentagelseshastighed og lav arbejdscyklus (under 50 %) vil pulsbredden påQCW lasernår 50 us-50 ms, udfylder hullet mellem kilowatt-niveau kontinuerlig fiberlaser og Q-switched pulslaser; Spidseffekten af en kvasi-kontinuerlig fiberlaser kan nå 10 gange den gennemsnitlige effekt under kontinuerlig drift. QCW-lasere har generelt to tilstande, den ene er kontinuerlig svejsning ved lav effekt, og den anden er pulserende lasersvejsning med en spidseffekt på 10 gange den gennemsnitlige effekt, hvilket kan opnå tykkere materialer og mere varmesvejsning, samtidig med at den kontrollerer varmen inden for en meget lille rækkevidde;
Kontinuerlig laser (CW): Dette er den mest almindeligt anvendte, og de fleste af de lasere, der ses på markedet, er CW-lasere, der kontinuerligt udsender laser til svejsebehandling. Fiberlasere er opdelt i single-mode og multi-mode lasere i henhold til forskellige kernediametre og strålekvaliteter og kan tilpasses til forskellige anvendelsesscenarier.
Indlægstid: 20. december 2023
