Principi de generació làser

Per què necessitem conèixer el principi dels làsers?

Conèixer les diferències entre els làsers semiconductors comuns, les fibres, els discs ilàser 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 divulgació científica: una breu introducció al principi de la generació de làsers, l'estructura principal dels làsers i diversos tipus comuns de làsers.

En primer lloc, el principi de la generació làser

El làser es genera mitjançant la interacció entre la llum i la matèria, coneguda com a amplificació de radiació estimulada; Per comprendre l'amplificació de la radiació estimulada cal entendre els conceptes d'Einstein d'emissió espontània, absorció estimulada i radiació estimulada, 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 compost d'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 intern s'anomena estat fonamental; si un electró es troba en l'estat fonamental, la seva energia és la més baixa. Si un electró salta fora d'una òrbita, s'anomena primer estat excitat, i l'energia del primer estat excitat serà més alta que la de l'estat fonamental; una altra òrbita s'anomena segon estat excitat;

La raó per la qual es pot produir un làser és perquè els electrons es mouen 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: la teoria de la radiació estimulada d'Einstein

El 1917, Einstein va proposar la teoria de la radiació estimulada, que és la base teòrica dels làsers i la producció de làser: l'absorció o emissió de matèria és essencialment el resultat de la interacció entre el camp de radiació i les partícules que componen la matèria, i la seva essència central 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 fa una transició espontània al nivell de baixa energia E1 i emet un fotó amb una energia de hv, i hv = E2 - E1; Aquest procés de transició espontani i no relacionat 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'aparició 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 del làser ha de reduir aquest tipus de llum dispersa. Aquesta és també una de les raons per les quals la longitud d'ona de diversos làsers té llum dispersa. Si es controla bé, es pot ignorar la proporció d'emissió espontània en el làser. Com més pur sigui el làser, com ara 1060 nm, tot és de 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 bombament. La font de bombament del làser proporciona energia fotònica per fer que les partícules del medi de guany facin la transició i esperi la radiació estimulada a nivells d'energia més alts, emetent el làser.

Radiació estimulada:

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

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

Estructura làser:

Relacioneu 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 medi de guany que proporciona un efecte d'amplificació com a medi de treball del 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 cert període de temps, i després alliberar fotons en una sola respiració a través de la radiació estimulada);

2. Hi ha una font d'excitació externa (font de bombament) que pot bombar electrons del nivell inferior 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 de baixa energia), com ara la làmpada de xenó dels làsers YAG;

3. Hi ha una cavitat ressonant que pot aconseguir l'oscil·lació del làser, augmentar la longitud de treball del material de treball del làser, filtrar 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 que el làser surti 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 del làser: generalment classificat per mitjà de guany o per forma d'energia làser

Classificació mitjana de guanys:

Làser de diòxid de carboniEl medi de guany del làser de diòxid de carboni és heli ilàser de CO2,amb una longitud d'ona làser de 10,6 µm, que és un dels primers productes làser que es van llançar. La soldadura làser inicial 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 a través de camins òptics espacials. El primer Tongkuai es va fer relativament bé i es va utilitzar molt equip de tall;

Làser YAG (granat d'itri i alumini): com a medi de guany làser s'utilitzen cristalls YAG dopats amb ions metàl·lics de neodimi (Nd) o itri (Yb), amb una longitud d'ona d'emissió d'1,06 µm. El làser YAG pot generar 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, aplicant-se per primera vegada en el camp 3C;

Làser de fibra: El mercat actual utilitza fibra dopada amb itterbi com a medi de guany, amb una longitud d'ona de 1060 nm. Es divideix a més en làsers de fibra i de disc segons la forma del medi; la fibra òptica representa IPG, mentre que el disc representa Tongkuai.

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

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

Làser de pols: nanosegons, picosegons, femtosegons, aquest làser de pols d'alta freqüència (ns, amplada de pols) sovint pot aconseguir una energia màxima elevada i un processament d'alta freqüència (MHZ), i s'utilitza per processar materials prims diferents de coure i alumini, així com per a la neteja principalment. Mitjançant l'ús d'una energia màxima elevada, 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 ultraprims (inferiors a 0,5 mm);

Làser quasi continu (QCW): a causa de l'alta taxa de repetició i el baix cicle de treball (inferior al 50%), l'amplada de pols deLàser QCWarriba als 50 us-50 ms, omplint el buit entre el làser de fibra contínua de nivell de quilowatt 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 mode de funcionament continu. Els làsers QCW generalment tenen dos modes, un és la soldadura contínua a baixa potència i l'altre és la soldadura làser pulsada amb una potència màxima de 10 vegades la potència mitjana, que pot aconseguir materials més gruixuts i més soldadura per calor, 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 làser contínuament per al processament de soldadura. Els làsers de fibra es divideixen en làsers monomodals i multimodals segons els diferents diàmetres del nucli i les qualitats del feix, i es poden adaptar a diferents escenaris d'aplicació.