Principi de generació làser

Per què hem de conèixer el principi dels làsers?

Conèixer les diferències entre làsers, fibres, discos i semiconductors comunslàser YAGtambé pot ajudar a obtenir una millor comprensió i participar en més debats durant el procés de selecció.

L'article se centra principalment en la ciència popular: una breu introducció al principi de generació làser, l'estructura principal dels làsers i diversos tipus comuns de làsers.

En primer lloc, el principi de generació làser

El làser es genera mitjançant la interacció entre la llum i la matèria, coneguda com a amplificació de radiació estimulada; Entendre l'amplificació de radiació estimulada requereix comprendre els conceptes d'emissió espontània, absorció estimulada i radiació estimulada d'Einstein, així com alguns fonaments teòrics necessaris.

Base teòrica 1: Model de Bohr

El model de Bohr proporciona principalment l'estructura interna dels àtoms, cosa que facilita la comprensió de com es produeixen els làsers. Un àtom està format per un nucli i electrons fora del nucli, i els orbitals dels electrons no són arbitraris. Els electrons només tenen certs orbitals, entre els quals l'orbital més interior s'anomena estat fonamental; Si un electró es troba en l'estat fonamental, la seva energia és la més baixa. Si un electró surt d'una òrbita, s'anomena primer estat excitat, i l'energia del primer estat excitat serà superior a la de l'estat fonamental; Una altra òrbita s'anomena segon estat excitat;

El motiu pel qual es pot produir el làser és perquè els electrons es mouran en diferents òrbites en aquest model. Si els electrons absorbeixen energia, poden passar de l'estat fonamental a l'estat excitat; Si un electró torna de l'estat excitat a l'estat fonamental, alliberarà energia, que sovint s'allibera en forma de làser.

Base teòrica 2: Teoria de la radiació estimulada d'Einstein

L'any 1917, Einstein va proposar la teoria de la radiació estimulada, que és la base teòrica del làser i la producció del làser: l'absorció o emissió de matèria és essencialment el resultat de la interacció entre el camp de radiació i les partícules que formen la matèria, i el seu nucli. l'essència és la transició de partícules entre diferents nivells d'energia. Hi ha tres processos diferents en la interacció entre la llum i la matèria: emissió espontània, emissió estimulada i absorció estimulada. Per a un sistema que conté un gran nombre de partícules, aquests tres processos sempre coexisteixen i estan estretament relacionats.

Emissió espontània:

Com es mostra a la figura: un electró del nivell d'alta energia E2 passa espontàniament al nivell de baixa energia E1 i emet un fotó amb una energia de hv, i hv=E2-E1; Aquest procés de transició espontània i no relacionada s'anomena transició espontània, i les ones de llum emeses per transicions espontànies s'anomenen radiació espontània.

Les característiques de l'emissió espontània: Cada fotó és independent, amb diferents direccions i fases, i el temps d'ocurrència també és aleatori. Pertany a la llum incoherent i caòtica, que no és la llum que requereix el làser. Per tant, el procés de generació làser ha de reduir aquest tipus de llum dispersa. Aquesta també és una de les raons per les quals la longitud d'ona de diversos làsers té llum dispersa. Si es controla bé, la proporció d'emissió espontània al làser es pot ignorar. Com més pur sigui el làser, com ara 1060 nm, és tot 1060 nm, aquest tipus de làser té una taxa d'absorció i una potència relativament estables.

Absorció estimulada:

Els electrons a nivells d'energia baixos (orbitals baixos), després d'absorbir fotons, passen a nivells d'energia més alts (orbitals alts), i aquest procés s'anomena absorció estimulada. L'absorció estimulada és crucial i un dels processos clau de bombeig. La font de bomba del làser proporciona energia fotònica per provocar la transició de les partícules del medi de guany i esperar la radiació estimulada a nivells d'energia més alts, emetent el làser.

Radiació estimulada:

Quan s'irradia per la llum d'energia externa (hv=E2-E1), l'electró en el nivell d'alta energia és excitat pel fotó extern i salta al nivell d'energia baixa (l'òrbita alta corre cap a l'òrbita baixa). Al mateix temps, emet un fotó que és exactament el mateix que el fotó extern. Aquest procés no absorbeix la llum d'excitació original, de manera que hi haurà dos fotons idèntics, que es poden entendre a mesura que l'electró escupi el fotó anteriorment absorbit. Aquest procés de luminescència s'anomena radiació estimulada, que és el procés invers de l'absorció estimulada.

Després que la teoria sigui clara, és molt senzill construir un làser, tal com es mostra a la figura anterior: en condicions normals d'estabilitat material, la gran majoria dels electrons es troben en l'estat fonamental, els electrons en l'estat fonamental i el làser depèn de radiació estimulada. Per tant, l'estructura del làser és permetre que l'absorció estimulada es produeixi primer, portant els electrons a un nivell d'energia elevat i, després, proporcionant una excitació per provocar que un gran nombre d'electrons d'alt nivell d'energia se sotmeti a una radiació estimulada, alliberant fotons, a partir d'això, es pot generar làser. A continuació, presentarem l'estructura làser.

Estructura làser:

Relaciona l'estructura del làser amb les condicions de generació del làser esmentades anteriorment una per una:

Condició d'ocurrència i estructura corresponent:

1. Hi ha un mitjà de guany que proporciona efecte d'amplificació com a mitjà de treball làser, i les seves partícules activades tenen una estructura de nivell d'energia adequada per generar radiació estimulada (principalment capaç de bombar electrons a orbitals d'alta energia i existir durant un període de temps determinat). , i després alliberen fotons en una respiració mitjançant radiació estimulada);

2. Hi ha una font d'excitació externa (font de bomba) que pot bombar electrons des del nivell inferior fins al nivell superior, provocant la inversió del nombre de partícules entre els nivells superior i inferior del làser (és a dir, quan hi ha més partícules d'alta energia que partícules de baixa energia), com ara la làmpada de xenó dels làsers YAG;

3. Hi ha una cavitat ressonant que pot aconseguir l'oscil·lació làser, augmentar la longitud de treball del material de treball làser, pantalla el mode d'ona de llum, controlar la direcció de propagació del feix, amplificar selectivament la freqüència de radiació estimulada per millorar la monocromaticitat (assegurant-se que la el làser surt a una determinada energia).

L'estructura corresponent es mostra a la figura anterior, que és una estructura simple d'un làser YAG. Altres estructures poden ser més complexes, però el nucli és aquest. El procés de generació del làser es mostra a la figura:

Classificació làser: generalment classificada per mitjà de guany o per forma d'energia làser

Aconsegueix una classificació mitjana:

Làser de diòxid de carboni: El mitjà de guany del làser de diòxid de carboni és l'heli ilàser de CO2,amb una longitud d'ona làser de 10,6um, que és un dels primers productes làser que es van llançar. La soldadura làser primerenca es basava principalment en làser de diòxid de carboni, que actualment s'utilitza principalment per soldar i tallar materials no metàl·lics (teixits, plàstics, fusta, etc.). A més, també s'utilitza en màquines de litografia. El làser de diòxid de carboni no es pot transmetre a través de fibres òptiques i viatja per camins òptics espacials, el primer Tongkuai es va fer relativament bé i es va utilitzar molts equips de tall;

Làser YAG (itri d'alumini granat): com a mitjà de guany làser s'utilitzen cristalls YAG dopats amb ions metàl·lics de neodimi (Nd) o ittri (Yb), amb una longitud d'ona d'emissió d'1,06 um. El làser YAG pot emetre polsos més alts, però la potència mitjana és baixa i la potència màxima pot arribar a 15 vegades la potència mitjana. Si es tracta principalment d'un làser de pols, no es pot aconseguir una sortida contínua; Però es pot transmetre a través de fibres òptiques i, al mateix temps, augmenta la taxa d'absorció dels materials metàl·lics, i comença a aplicar-se en materials d'alta reflectivitat, aplicats per primera vegada en el camp 3C;

Làser de fibra: el corrent principal actual del mercat utilitza fibra dopada amb iterbi com a mitjà de guany, amb una longitud d'ona de 1060 nm. A més, es divideix en làsers de fibra i disc en funció de la forma del medi; La fibra òptica representa IPG, mentre que el disc representa Tongkuai.

Làser semiconductor: el mitjà de guany és una unió PN semiconductora i la longitud d'ona del làser semiconductor és principalment de 976 nm. Actualment, els làsers d'infraroig proper semiconductors s'utilitzen principalment per a revestiments, amb punts de llum per sobre de 600um. Laserline és una empresa representativa de làsers semiconductors.

Classificat per la forma d'acció energètica: làser de pols (PULSE), làser quasi continu (QCW), làser continu (CW)

Làser de pols: nanosegon, picosegundo, femtosegon, aquest làser de pols d'alta freqüència (ns, amplada de pols) sovint pot aconseguir un processament d'energia màxima alta, alta freqüència (MHZ), utilitzat per processar materials diferents de coure i alumini prim, així com netejar principalment . Mitjançant l'ús d'energia màxima alta, pot fondre ràpidament el material base, amb un temps d'acció baix i una zona afectada per la calor petita. Té avantatges en el processament de materials ultra prims (per sota de 0,5 mm);

Làser quasi continu (QCW): a causa de l'alta taxa de repetició i el baix cicle de treball (per sota del 50%), l'amplada del pols delàser QCWarriba als 50 us-50 ms, omplint el buit entre el làser de fibra contínua a nivell de quilowatts i el làser de pols Q-switched; La potència màxima d'un làser de fibra quasi contínua pot arribar a 10 vegades la potència mitjana en funcionament en mode continu. Els làsers QCW solen tenir dos modes, un és la soldadura contínua a baixa potència i l'altre és la soldadura per làser polsat amb una potència màxima de 10 vegades la potència mitjana, que pot aconseguir materials més gruixuts i més soldadura tèrmica, alhora que controla la calor dins d'un rang molt petit;

Làser continu (CW): Aquest és el més utilitzat, i la majoria dels làsers que es veuen al mercat són làsers CW que emeten contínuament làser per al processament de soldadura. Els làsers de fibra es divideixen en làsers monomode i multimode segons diferents diàmetres de nucli i qualitats de feix, i es poden adaptar a diferents escenaris d'aplicació.