Prinsipyo sa Laser Generation

Ngano nga kinahanglan naton mahibal-an ang prinsipyo sa mga laser?

Nahibal-an ang mga kalainan tali sa kasagaran nga mga semiconductor laser, fiber, disc, ugYAG lasermakatabang usab sa pagbaton ug mas maayong pagsabot ug pag-apil sa mas daghang diskusyon atol sa proseso sa pagpili.

Ang artikulo nag-una nga nagpunting sa sikat nga siyensya: usa ka mubo nga pasiuna sa prinsipyo sa henerasyon sa laser, ang panguna nga istruktura sa mga laser, ug daghang mga kasagarang tipo sa mga laser.

Una, ang prinsipyo sa laser generation

Ang laser namugna pinaagi sa interaksyon tali sa kahayag ug butang, nga nailhan nga stimulated radiation amplification; Ang pagsabot sa stimulated radiation amplification nagkinahanglan og pagsabot sa mga konsepto ni Einstein sa spontaneous emission, stimulated absorption, ug stimulated radiation, ingon man sa pipila ka gikinahanglan nga theoretical foundations.

Teoretikal nga Basihan 1: Bohr Model

Ang modelo sa Bohr nag-una nga naghatag sa internal nga istruktura sa mga atomo, nga dali nga masabtan kung giunsa ang mga laser mahitabo. Ang usa ka atomo gilangkoban sa usa ka nucleus ug mga electron sa gawas sa nucleus, ug ang mga orbital sa mga electron dili basta-basta. Ang mga electron adunay pipila lamang nga mga orbital, diin ang kinasulorang orbital gitawag nga ground state; Kung ang usa ka electron anaa sa ground state, ang enerhiya niini mao ang pinakaubos. Kon ang usa ka electron molukso gikan sa usa ka orbit, kini gitawag nga ang unang excited nga kahimtang, ug ang kusog sa unang excited nga kahimtang mahimong mas taas pa kay sa sa yuta nga kahimtang; Ang laing orbito gitawag nga ikaduhang excited nga kahimtang;

Ang hinungdan ngano nga ang laser mahimong mahitabo tungod kay ang mga electron molihok sa lainlaing mga orbit sa kini nga modelo. Kung ang mga electron mosuhop sa enerhiya, mahimo silang modagan gikan sa yuta nga estado ngadto sa excited nga estado; Kung ang usa ka electron mobalik gikan sa naghinam-hinam nga estado ngadto sa yuta nga estado, kini magpagawas sa enerhiya, nga kasagarang gipagawas sa porma sa usa ka laser.

Teoretikal nga Basis 2: Ang Einstein's Stimulated Radiation Theory

Niadtong 1917, gisugyot ni Einstein ang teorya sa stimulated radiation, nga mao ang teoretikal nga sukaranan alang sa mga laser ug produksiyon sa laser: ang pagsuyup o pagpagawas sa butang mao ang hinungdan nga sangputanan sa interaksyon tali sa natad sa radiation ug sa mga partikulo nga naglangkob sa butang, ug ang kinauyokan niini. Ang esensya mao ang pagbalhin sa mga partikulo tali sa lainlaing lebel sa enerhiya. Adunay tulo ka lain-laing mga proseso sa interaksyon tali sa kahayag ug butang: kusog nga pagbuga, stimulated emission, ug stimulated absorption. Alang sa usa ka sistema nga adunay daghang mga partikulo, kining tulo nga mga proseso kanunay nga nag-uban ug adunay suod nga kalambigitan.

Kusog nga pagpagawas:

Ingon sa gipakita sa hulagway: ang usa ka electron sa taas nga lebel sa enerhiya nga E2 kusog nga mobalhin ngadto sa ubos nga lebel sa enerhiya nga E1 ug mopagawas ug photon nga adunay kusog nga hv, ug hv=E2-E1; Kini nga kusog ug wala'y kalabutan nga proseso sa transisyon gitawag nga kusog nga pagbalhin, ug ang mga balud sa kahayag nga gipagawas sa kusog nga pagbalhin gitawag nga kusog nga radiation.

Ang mga kinaiya sa kusog nga pagbuga: Ang matag photon independente, nga adunay lainlaing mga direksyon ug hugna, ug ang oras sa panghitabo random usab. Kini iya sa incoherent ug chaotic light, nga dili ang kahayag nga gikinahanglan sa laser. Busa, ang proseso sa pagmugna sa laser kinahanglan nga makunhuran kini nga matang sa saag nga kahayag. Kini mao usab ang usa sa mga rason ngano nga ang wavelength sa lain-laing mga lasers adunay saag nga kahayag. Kung maayo ang pagkontrol, ang proporsyon sa kusog nga pagbuga sa laser mahimong mabalewala. Ang mas putli nga laser, sama sa 1060 nm, kini ang tanan nga 1060 nm, Kini nga matang sa laser adunay usa ka medyo lig-on nga rate sa pagsuyup ug gahum.

Gidasig nga pagsuyup:

Ang mga electron sa ubos nga lebel sa enerhiya (ubos nga mga orbital), human sa pagsuhop sa mga photon, pagbalhin ngadto sa mas taas nga lebel sa enerhiya (taas nga mga orbital), ug kini nga proseso gitawag nga stimulated absorption. Ang stimulated absorption hinungdanon ug usa sa mga yawe nga proseso sa pumping. Ang tinubdan sa bomba sa laser naghatag og enerhiya sa photon aron ang mga partikulo sa gain medium mobalhin ug maghulat alang sa stimulated radiation sa mas taas nga lebel sa enerhiya, nga nagpagawas sa laser.

Gidasig nga radiation:

Sa diha nga irradiated sa kahayag sa gawas nga enerhiya (hv=E2-E1), ang electron sa taas nga lebel sa enerhiya naghinam-hinam sa eksternal nga photon ug molukso ngadto sa ubos nga lebel sa enerhiya (ang taas nga orbit midagan ngadto sa ubos nga orbit). Sa samang higayon, nagpagawas kini og photon nga parehas gyud sa external photon. Kini nga proseso dili mosuhop sa orihinal nga excitation nga kahayag, mao nga adunay duha ka managsama nga mga photon, nga mahimong masabtan ingon nga ang electron moluwa gikan sa kaniadto masuhop photon, Kini nga luminescence proseso gitawag stimulated radiation, nga mao ang reverse proseso sa stimulated pagsuyup.

Human sa teoriya mao ang tin-aw, kini mao ang kaayo yano nga sa pagtukod sa usa ka laser, ingon sa gipakita sa ibabaw nga numero: ubos sa normal nga mga kahimtang sa materyal nga kalig-on, ang kadaghanan sa mga electron anaa sa yuta nga kahimtang, mga electron sa yuta nga kahimtang, ug laser nagdepende sa. stimulated radiation. Busa, ang gambalay sa laser mao ang pagtugot sa stimulated pagsuyup nga mahitabo una, nga nagdala sa mga electron sa taas nga lebel sa enerhiya, ug unya sa paghatag sa usa ka excitation sa hinungdan sa usa ka dako nga gidaghanon sa mga hatag-as nga enerhiya nga lebel electron nga moagi stimulated radiation, pagpagawas sa photon, Gikan niini, laser mahimong mamugna. Sunod, atong ipaila ang istruktura sa laser.

Laser nga istruktura:

Ipares ang istruktura sa laser sa mga kondisyon sa henerasyon sa laser nga gihisgutan sa sayo pa sa usag usa:

Kondisyon sa panghitabo ug katugbang nga istruktura:

1. Adunay usa ka gain medium nga naghatag og amplification nga epekto ingon nga ang laser working medium, ug ang mga activated particles niini adunay energy level structure nga angay alang sa pagmugna og stimulated radiation (kasagaran makahimo sa pagbomba sa mga electron ngadto sa high-energy orbitals ug anaa sa usa ka yugto sa panahon. , ug dayon buhian ang mga photon sa usa ka gininhawa pinaagi sa stimulated radiation);

2. Adunay usa ka eksternal nga excitation source (pump source) nga makabomba sa mga electron gikan sa ubos nga lebel ngadto sa taas nga lebel, hinungdan nga ang gidaghanon sa mga partikulo inversion tali sa ibabaw ug sa ubos nga lebel sa laser (ie, kon adunay mas taas nga-enerhiya nga mga partikulo kay sa ubos nga enerhiya nga mga partikulo), sama sa xenon lamp sa YAG lasers;

3. Adunay usa ka resonant cavity nga makab-ot ang laser oscillation, dugangan ang pagtrabaho nga gitas-on sa laser working material, i-screen ang light wave mode, kontrola ang propagation nga direksyon sa beam, pilia nga mapadako ang stimulated radiation frequency aron mapalambo ang monochromaticity (pagsiguro nga ang Ang laser gipagawas sa usa ka piho nga enerhiya).

Ang katugbang nga istruktura gipakita sa ibabaw nga numero, nga usa ka yano nga istruktura sa usa ka YAG laser. Ang ubang mga istruktura mahimong mas komplikado, apan ang kinauyokan mao kini. Ang proseso sa paghimo sa laser gipakita sa numero:

Klasipikasyon sa laser: kasagaran giklasipikar pinaagi sa medium nga nakuha o pinaagi sa porma sa enerhiya sa laser

Pagbaton og medium nga klasipikasyon:

Carbon dioxide laser: Ang gain medium sa carbon dioxide laser mao ang helium ugCO2 laser,nga adunay laser wavelength nga 10.6um, nga usa sa pinakauna nga mga produkto sa laser nga ilusad. Ang sayo nga laser welding nag-una base sa carbon dioxide laser, nga sa pagkakaron nag-una nga gigamit alang sa welding ug pagputol non-metallic nga mga materyales (mga panapton, plastik, kahoy, ug uban pa). Dugang pa, gigamit usab kini sa mga makina sa lithography. Ang carbon dioxide laser dili mapasa pinaagi sa optical fibers ug mobiyahe pinaagi sa spatial optical paths, Ang labing una nga Tongkuai nahimo nga medyo maayo, ug daghang kagamitan sa pagputol ang gigamit;

YAG (yttrium aluminum garnet) laser: YAG crystals doped sa neodymium (Nd) o yttrium (Yb) metal ions gigamit isip laser gain medium, nga adunay emission wavelength nga 1.06um. Ang YAG laser makahimo sa pag-output sa mas taas nga mga pulso, apan ang kasagaran nga gahum ubos, ug ang peak power mahimong makaabot sa 15 ka pilo sa kasagaran nga gahum. Kon kini mao ang nag-una sa usa ka pulse laser, padayon nga output dili makab-ot; Apan kini mahimong mapasa pinaagi sa optical fibers, ug sa samang higayon, ang pagsuyup rate sa metal nga mga materyales nga pagtaas, ug kini nagsugod sa paggamit sa taas nga reflectivity mga materyales, una nga gigamit sa 3C kapatagan;

Fiber laser: Ang kasamtangan nga mainstream sa merkado naggamit sa ytterbium doped fiber isip gain medium, nga adunay wavelength nga 1060nm. Gibahin pa kini sa fiber ug disc laser base sa porma sa medium; Ang fiber optic nagrepresentar sa IPG, samtang ang disc nagrepresentar sa Tongkuai.

Semiconductor laser: Ang gain medium usa ka semiconductor PN junction, ug ang wavelength sa semiconductor laser kasagaran sa 976nm. Sa pagkakaron, ang mga semiconductor nga duol sa infrared nga mga laser kasagarang gigamit alang sa cladding, nga adunay mga light spot nga labaw sa 600um. Ang Laserline usa ka representante nga negosyo sa mga semiconductor laser.

Giklasipikar sa porma sa aksyon sa enerhiya: Pulse laser (PULSE), quasi continuous laser (QCW), padayon nga laser (CW)

Pulse laser: nanosecond, picosecond, femtosecond, kini nga high-frequency pulse laser (ns, pulse width) kasagarang makab-ot ang taas nga peak energy, high frequency (MHZ) nga pagproseso, gigamit alang sa pagproseso sa nipis nga tumbaga ug aluminum nga dili managsama nga mga materyales, ingon man sa paglimpyo kasagaran . Pinaagi sa paggamit sa taas nga kusog nga kusog, kini dali nga matunaw ang base nga materyal, nga adunay gamay nga oras sa aksyon ug gamay nga apektadong lugar sa kainit. Kini adunay mga bentaha sa pagproseso sa ultra-manipis nga mga materyales (ubos sa 0.5mm);

Quasi padayon nga laser (QCW): Tungod sa taas nga pagbalik-balik rate ug ubos nga katungdanan cycle (ubos sa 50%), ang pulso gilapdon saQCW lasermoabot sa 50 us-50 ms, nga nagpuno sa gintang tali sa kilowatt level padayon nga fiber laser ug Q-switched pulse laser; Ang peak nga gahum sa usa ka quasi padayon nga fiber laser mahimong makaabot sa 10 ka pilo sa kasagaran nga gahum ubos sa padayon nga operasyon sa mode. Ang QCW lasers sa kasagaran adunay duha ka mga mode, ang usa mao ang padayon nga welding sa ubos nga gahum, ug ang usa mao ang pulsed laser welding nga adunay peak power nga 10 ka beses ang average nga gahum, nga makab-ot ang mas baga nga mga materyales ug mas init nga welding, samtang nagkontrol usab sa kainit sulod sa usa ka gamay kaayo nga range;

Padayon nga Laser (CW): Kini ang labing sagad nga gigamit, ug kadaghanan sa mga laser nga makita sa merkado mao ang mga CW laser nga padayon nga nagpagawas sa laser alang sa pagproseso sa welding. Ang fiber lasers gibahin ngadto sa single-mode ug multi-mode lasers sumala sa lain-laing mga core diameters ug beam nga mga kalidad, ug mahimong ipahiangay sa lain-laing mga sitwasyon sa aplikasyon.