Prinsipyo sa Pagmugna og Laser

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

Pagkahibalo sa mga kalainan tali sa komon nga semiconductor lasers, fibers, discs, ugLaser nga YAGmakatabang usab aron mas masabtan ug makaapil sa dugang mga diskusyon atol sa proseso sa pagpili.

Ang artikulo nag-una nga nagpunting sa popular nga syensya: usa ka mubo nga pasiuna sa prinsipyo sa pagmugna og laser, ang pangunang istruktura sa mga laser, ug pipila ka komon nga mga klase sa laser.

Una, ang prinsipyo sa pagmugna og laser

Ang laser namugna pinaagi sa interaksyon tali sa kahayag ug materya, nga nailhan nga stimulated radiation amplification; Ang pagsabot sa stimulated radiation amplification nanginahanglan og pagsabot sa mga konsepto ni Einstein sa spontaneous emission, stimulated absorption, ug stimulated radiation, ingon man pipila ka kinahanglanon nga teoretikal nga pundasyon.

Teoretikal nga Basehan 1: Modelo sa Bohr

Ang modelo sa Bohr nag-una nga naghatag sa internal nga istruktura sa mga atomo, nga naghimo niini nga dali masabtan kung giunsa ang mga laser nahitabo. Ang usa ka atomo gilangkoban sa usa ka nucleus ug mga electron sa gawas sa nucleus, ug ang mga orbital sa mga electron dili arbitraryo. Ang mga electron adunay pipila lang ka mga orbital, diin ang pinakasulod nga orbital gitawag nga ground state; Kung ang usa ka electron naa sa ground state, ang enerhiya niini mao ang labing ubos. Kung ang usa ka electron molukso gikan sa usa ka orbit, kini gitawag nga unang excited state, ug ang enerhiya sa unang excited state mas taas kaysa sa ground state; Ang laing orbit gitawag nga ikaduhang excited state;

Ang hinungdan nganong mahitabo ang laser kay ang mga electron molihok sa lain-laing mga orbit niini nga modelo. Kon ang mga electron mosuhop og enerhiya, kini modagan gikan sa ground state ngadto sa excited state; Kon ang usa ka electron mobalik gikan sa excited state ngadto sa ground state, kini mopagawas og enerhiya, nga kasagaran ipagawas sa porma sa laser.

Teoretikal nga Basehan 2: Teorya sa Gipukaw nga Radyasyon ni Einstein

Niadtong 1917, gisugyot ni Einstein ang teorya sa stimulated radiation, nga mao ang teoretikal nga basehan sa mga laser ug produksiyon sa laser: ang pagsuhop o pagpagawas sa materya resulta sa interaksyon tali sa natad sa radiation ug sa mga partikulo nga naglangkob sa materya, ug ang kinauyokan niini mao ang pagbalhin sa mga partikulo tali sa lainlaing lebel sa enerhiya. Adunay tulo ka lainlaing proseso sa interaksyon tali sa kahayag ug materya: kusang pagpagawas, stimulated emission, ug stimulated absorption. Alang sa usa ka sistema nga adunay daghang mga partikulo, kini nga tulo ka proseso kanunay nga nag-uban ug suod nga nalambigit.

Kusang pagpagawas:

Sama sa gipakita sa hulagway: ang usa ka electron sa taas nga lebel sa enerhiya nga E2 kusang mobalhin ngadto sa ubos nga lebel sa enerhiya nga E1 ug mopagawas ug photon nga adunay enerhiya nga hv, ug hv=E2-E1; Kini nga kusang ug walay kalabotan nga proseso sa transisyon gitawag nga kusang transisyon, ug ang mga light wave nga gipagawas sa kusang mga transisyon gitawag nga kusang radyasyon.

Ang mga kinaiya sa kusang pagpagawas: Ang matag photon independente, nga adunay lainlaing direksyon ug hugna, ug ang oras sa panghitabo random usab. Kini nahisakop sa dili magkatugma ug magubot nga kahayag, nga dili ang kahayag nga gikinahanglan sa laser. Busa, ang proseso sa pagmugna og laser kinahanglan nga makunhuran kini nga klase sa saag nga kahayag. Kini usab usa sa mga hinungdan ngano nga ang wavelength sa lainlaing mga laser adunay saag nga kahayag. Kung kontrolado pag-ayo, ang proporsyon sa kusang pagpagawas sa laser mahimong ibaliwala. Kon mas puro ang laser, sama sa 1060 nm, kini tanan 1060 nm. Kini nga klase sa laser adunay medyo lig-on nga rate sa pagsuhop ug gahum.

Gidasig nga pagsuhop:

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

Gipukaw nga radyasyon:

Kung ma-irradiate sa kahayag sa gawas nga enerhiya (hv=E2-E1), ang electron sa taas nga lebel sa enerhiya ma-excite sa gawas nga photon ug moambak ngadto sa ubos nga lebel sa enerhiya (ang taas nga orbit modagan ngadto sa ubos nga orbit). Sa samang higayon, kini mopagawas ug photon nga parehas gyud sa gawas nga photon. Kini nga proseso dili mosuhop sa orihinal nga kahayag sa excitation, busa adunay duha ka parehas nga photon, nga masabtan samtang ang electron mobuga sa kaniadto nga nasuhop nga photon. Kini nga proseso sa luminescence gitawag nga stimulated radiation, nga mao ang baliktad nga proseso sa stimulated absorption.

Human maklaro ang teorya, sayon ​​ra kaayo ang paghimo og laser, sama sa gipakita sa hulagway sa ibabaw: ubos sa normal nga kondisyon sa kalig-on sa materyal, ang kadaghanan sa mga electron anaa sa ground state, ang mga electron anaa sa ground state, ug ang laser nagdepende sa stimulated radiation. Busa, ang istruktura sa laser mao ang pagtugot sa stimulated absorption nga mahitabo una, nga magdala sa mga electron ngadto sa taas nga lebel sa enerhiya, ug dayon maghatag og excitation aron hinungdan nga daghang mga electron sa taas nga lebel sa enerhiya ang moagi sa stimulated radiation, nga magpagawas sa mga photon. Gikan niini, mahimo nang mamugna ang laser. Sunod, atong ipaila ang istruktura sa laser.

Istruktura sa laser:

Ipares ang istruktura sa laser sa mga kondisyon sa pagmugna og laser nga nahisgotan ganina usa-usa:

Kondisyon sa panghitabo ug katugbang nga istruktura:

1. Adunay usa ka gain medium nga naghatag og amplification effect isip laser working medium, ug ang mga activated particle niini adunay energy level structure nga angay para sa pagmugna og stimulated radiation (kasagaran makahimo sa pagbomba sa mga electron ngadto sa high-energy orbitals ug molungtad sulod sa usa ka piho nga yugto sa panahon, ug dayon mopagawas og mga photon sa usa ka gininhawa pinaagi sa stimulated radiation);

2. Adunay usa ka eksternal nga tinubdan sa excitation (bomba source) nga makabomba sa mga electron gikan sa ubos nga lebel ngadto sa ibabaw nga lebel, nga hinungdan sa pagbalit-ad sa gidaghanon sa partikulo tali sa ibabaw ug ubos nga lebel sa laser (ie, kung adunay daghang mga high-energy nga partikulo kaysa mga low-energy nga partikulo), sama sa xenon lamp sa mga YAG laser;

3. Adunay usa ka resonant cavity nga makab-ot ang laser oscillation, madugangan ang working length sa laser working material, ma-screen ang light wave mode, makontrol ang propagation direction sa beam, ug mapilion nga mapadako ang stimulated radiation frequency aron mapaayo ang monochromaticity (gisiguro nga ang laser gipagawas sa usa ka piho nga enerhiya).

Ang katugbang nga istruktura gipakita sa hulagway sa ibabaw, 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 pagmugna og laser gipakita sa hulagway:

Klasipikasyon sa laser: kasagarang giklasipikar pinaagi sa gain medium o pinaagi sa porma sa enerhiya sa laser

Klasipikasyon sa medium nga gain:

Laser sa karbon dioksidaAng gain medium sa carbon dioxide laser kay helium ugCO2 nga laser,nga adunay laser wavelength nga 10.6um, nga usa sa labing una nga mga produkto sa laser nga gilunsad. Ang unang laser welding gibase sa carbon dioxide laser, nga karon gigamit alang sa pag-welding ug pagputol sa mga materyales nga dili metal (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 maayo kaayo ang pagkagama, ug daghang kagamitan sa pagputol ang gigamit;

YAG (yttrium aluminum garnet) laser: Ang mga kristal sa YAG nga gisagolan og neodymium (Nd) o yttrium (Yb) metal ions gigamit isip laser gain medium, nga adunay emission wavelength nga 1.06um. Ang YAG laser maka-output og mas taas nga pulse, apan ang average nga power ubos, ug ang peak power makaabot sa 15 ka pilo sa average nga power. Kung kini usa ka pulse laser, dili makab-ot ang padayon nga output; Apan mahimo kini nga ipadala pinaagi sa optical fibers, ug sa samang higayon, ang absorption rate sa mga metal nga materyales motaas, ug kini nagsugod na nga magamit sa mga high reflectivity nga materyales, una nga gigamit sa 3C field;

Fiber laser: Ang kasamtangang uso sa merkado naggamit ug ytterbium doped fiber isip gain medium, nga adunay wavelength nga 1060nm. Kini gibahin pa 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 kay semiconductor PN junction, ug ang wavelength sa semiconductor laser kasagaran naa sa 976nm. Sa pagkakaron, ang semiconductor near-infrared lasers kay kasagarang gigamit para sa cladding, nga adunay mga light spots nga labaw sa 600um. Ang Laserline usa ka representante nga negosyo sa semiconductor lasers.

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

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

Quasi continuous laser (QCW): Tungod sa taas nga repetition rate ug ubos nga duty cycle (ubos sa 50%), ang pulse width saLaser sa QCWmoabot sa 50 us-50 ms, nga nagpuno sa gintang tali sa kilowatt level continuous fiber laser ug Q-switched pulse laser; Ang peak power sa usa ka quasi continuous fiber laser mahimong moabot sa 10 ka pilo sa average nga power ubos sa continuous mode operation. Ang mga QCW laser kasagaran adunay duha ka mode, ang usa mao ang continuous welding sa ubos nga power, ug ang lain mao ang pulsed laser welding nga adunay peak power nga 10 ka pilo sa average nga power, nga makab-ot ang mas baga nga mga materyales ug mas daghang heat welding, samtang gikontrol usab ang kainit sulod sa gamay kaayo nga range;

Padayon nga Laser (CW): Kini ang labing kasagarang gigamit, ug kadaghanan sa mga laser nga makita sa merkado mga CW laser nga padayon nga nagpagawas og laser para sa pagproseso sa welding. Ang mga fiber laser gibahin sa single-mode ug multi-mode laser sumala sa lainlaing mga diametro sa core ug kalidad sa beam, ug mahimong ipahiangay sa lainlaing mga senaryo sa aplikasyon.