Pse duhet të dimë parimin e laserëve?
Njohja e ndryshimeve midis lazerëve të zakonshëm gjysmëpërçues, fibrave, disqeve dheLazer YAGmund të ndihmojë gjithashtu për të fituar një kuptim më të mirë dhe për t'u përfshirë në më shumë diskutime gjatë procesit të përzgjedhjes.
Artikulli fokusohet kryesisht në shkencën popullore: një hyrje e shkurtër në parimin e gjenerimit të lazerit, strukturën kryesore të lazerëve dhe disa lloje të zakonshme lazerësh.
Së pari, parimi i gjenerimit të lazerit
Lazeri gjenerohet nëpërmjet ndërveprimit ndërmjet dritës dhe materies, i njohur si amplifikimi i rrezatimit të stimuluar; Kuptimi i amplifikimit të rrezatimit të stimuluar kërkon të kuptuarit e koncepteve të Ajnshtajnit për emetimin spontan, thithjen e stimuluar dhe rrezatimin e stimuluar, si dhe disa baza të nevojshme teorike.
Baza teorike 1: Modeli Bohr
Modeli Bohr kryesisht siguron strukturën e brendshme të atomeve, duke e bërë të lehtë të kuptosh se si ndodhin lazerët. Një atom përbëhet nga një bërthamë dhe elektrone jashtë bërthamës, dhe orbitalet e elektroneve nuk janë arbitrare. Elektronet kanë vetëm orbitale të caktuara, ndër të cilat orbitalja më e brendshme quhet gjendja bazë; Nëse një elektron është në gjendjen bazë, energjia e tij është më e ulëta. Nëse një elektron kërcen nga një orbitë, ai quhet gjendja e parë e ngacmuar dhe energjia e gjendjes së parë të ngacmuar do të jetë më e lartë se ajo e gjendjes bazë; Një orbitë tjetër quhet gjendja e dytë e ngacmuar;
Arsyeja pse mund të ndodhë lazeri është sepse elektronet do të lëvizin në orbita të ndryshme në këtë model. Nëse elektronet thithin energji, ato mund të kalojnë nga gjendja bazë në gjendjen e ngacmuar; Nëse një elektron kthehet nga gjendja e ngacmuar në gjendjen bazë, ai do të lëshojë energji, e cila shpesh lëshohet në formën e një lazeri.
Baza teorike 2: Teoria e rrezatimit të stimuluar të Ajnshtajnit
Në vitin 1917, Ajnshtajni propozoi teorinë e rrezatimit të stimuluar, e cila është baza teorike për prodhimin e lazerit dhe lazerit: thithja ose emetimi i materies është në thelb rezultat i ndërveprimit midis fushës së rrezatimit dhe grimcave që përbëjnë lëndën dhe bërthamës së saj. thelbi është kalimi i grimcave midis niveleve të ndryshme të energjisë. Ekzistojnë tre procese të ndryshme në bashkëveprimin midis dritës dhe materies: emetimi spontan, emetimi i stimuluar dhe thithja e stimuluar. Për një sistem që përmban një numër të madh grimcash, këto tre procese gjithmonë bashkëjetojnë dhe janë të lidhura ngushtë.
Emetimi spontan:
Siç tregohet në figurë: një elektron në nivelin me energji të lartë E2 kalon në mënyrë spontane në nivelin me energji të ulët E1 dhe lëshon një foton me energji hv, dhe hv=E2-E1; Ky proces tranzicioni spontan dhe i palidhur quhet tranzicion spontan dhe valët e dritës të emetuara nga tranzicionet spontane quhen rrezatim spontan.
Karakteristikat e emetimit spontan: Çdo foton është i pavarur, me drejtime dhe faza të ndryshme, dhe koha e shfaqjes është gjithashtu e rastësishme. I përket dritës jokoherente dhe kaotike, e cila nuk është drita e kërkuar nga lazeri. Prandaj, procesi i gjenerimit me lazer duhet të reduktojë këtë lloj drite të humbur. Kjo është edhe një nga arsyet pse gjatësia e valës së laserëve të ndryshëm ka dritë të humbur. Nëse kontrollohet mirë, proporcioni i emetimit spontan në lazer mund të injorohet. Sa më i pastër të jetë lazeri, si p.sh. 1060 nm, ai është i gjithë 1060 nm. Ky lloj lazeri ka një shkallë absorbimi dhe fuqi relativisht të qëndrueshme.
Përthithja e stimuluar:
Elektronet në nivele të ulëta energjetike (orbitale të ulëta), pas thithjes së fotoneve, kalojnë në nivele më të larta të energjisë (orbitale të larta), dhe ky proces quhet absorbim i stimuluar. Përthithja e stimuluar është thelbësore dhe një nga proceset kryesore të pompimit. Burimi i pompës së lazerit siguron energji fotonike për të shkaktuar grimca në mjedisin e fitimit në tranzicion dhe për të pritur për rrezatim të stimuluar në nivele më të larta të energjisë, duke emetuar lazerin.
Rrezatimi i stimuluar:
Kur rrezatohet nga drita e energjisë së jashtme (hv=E2-E1), elektroni në nivelin e lartë të energjisë ngacmohet nga fotoni i jashtëm dhe hidhet në nivelin e ulët të energjisë (orbita e lartë shkon në orbitën e ulët). Në të njëjtën kohë, ai lëshon një foton që është saktësisht i njëjtë me fotonin e jashtëm. Ky proces nuk thith dritën origjinale të ngacmimit, kështu që do të ketë dy fotone identike, të cilat mund të kuptohen pasi elektroni nxjerr jashtë fotonin e përthithur më parë. Ky proces i lumineshencës quhet rrezatim i stimuluar, që është procesi i kundërt i përthithjes së stimuluar.
Pasi teoria të jetë e qartë, është shumë e thjeshtë të ndërtohet një lazer, siç tregohet në figurën e mësipërme: në kushte normale të stabilitetit material, shumica dërrmuese e elektroneve janë në gjendjen bazë, elektronet në gjendjen bazë dhe lazeri varet nga rrezatimi i stimuluar. Prandaj, struktura e lazerit është që të lejojë që fillimisht të ndodhë thithja e stimuluar, duke sjellë elektronet në nivelin e lartë të energjisë, dhe më pas duke siguruar një ngacmim për të shkaktuar një numër të madh elektronesh të nivelit të lartë të energjisë që t'i nënshtrohen rrezatimit të stimuluar, duke çliruar fotone, nga kjo, mund të krijohet lazer. Më pas do të prezantojmë strukturën e lazerit.
Struktura e lazerit:
Përputhni strukturën e lazerit me kushtet e gjenerimit të lazerit të përmendura më parë një nga një:
Gjendja e ndodhjes dhe struktura përkatëse:
1. Ekziston një medium fitimi që siguron efekt përforcues si mediumi i punës me lazer dhe grimcat e tij të aktivizuara kanë një strukturë të nivelit të energjisë të përshtatshme për gjenerimin e rrezatimit të stimuluar (kryesisht në gjendje të pompojë elektrone në orbitalet me energji të lartë dhe të ekzistojnë për një periudhë të caktuar kohe , dhe më pas lëshojnë fotone me një frymëmarrje përmes rrezatimit të stimuluar);
2. Ekziston një burim i jashtëm ngacmimi (burimi i pompës) që mund të pompojë elektrone nga niveli më i ulët në nivelin e sipërm, duke shkaktuar përmbysje të numrit të grimcave midis niveleve të sipërme dhe të poshtme të lazerit (dmth, kur ka më shumë grimca me energji të lartë se grimcat me energji të ulët), të tilla si llamba ksenon në lazer YAG;
3. Ekziston një zgavër rezonante që mund të arrijë lëkundjen e lazerit, të rrisë gjatësinë e punës së materialit të punës me lazer, të ekranizojë modalitetin e valës së dritës, të kontrollojë drejtimin e përhapjes së rrezes, të amplifikojë në mënyrë selektive frekuencën e rrezatimit të stimuluar për të përmirësuar monokromatikën (duke siguruar që lazeri del me një energji të caktuar).
Struktura përkatëse është paraqitur në figurën e mësipërme, e cila është një strukturë e thjeshtë e një lazeri YAG. Strukturat e tjera mund të jenë më komplekse, por thelbi është ky. Procesi i gjenerimit të lazerit është paraqitur në figurë:
Klasifikimi lazer: përgjithësisht klasifikohet sipas mediumit të fitimit ose sipas formës së energjisë lazer
Fitoni klasifikimin mesatar:
Lazeri i dioksidit të karbonit: Mjeti i fitimit të lazerit të dioksidit të karbonit është helium dheLazer CO2,me një gjatësi vale lazeri prej 10.6um, që është një nga produktet më të hershme lazer që do të lansohen. Saldimi i hershëm me lazer bazohej kryesisht në lazerin e dioksidit të karbonit, i cili aktualisht përdoret kryesisht për saldimin dhe prerjen e materialeve jo metalike (pëlhura, plastikë, dru, etj.). Përveç kësaj, përdoret edhe në makinat litografike. Lazeri i dioksidit të karbonit nuk mund të transmetohet përmes fibrave optike dhe udhëton nëpër shtigje optike hapësinore, Tongkuai më i hershëm ishte bërë relativisht mirë dhe u përdorën shumë pajisje prerëse;
Lazeri YAG (garnet alumini ittriumi): Kristalet YAG të dopuar me jone metalike neodymium (Nd) ose ittrium (Yb) përdoren si medium për fitimin e lazerit, me një gjatësi vale emetimi prej 1.06um. Lazeri YAG mund të nxjerrë impulse më të larta, por fuqia mesatare është e ulët dhe fuqia maksimale mund të arrijë 15 herë më shumë se fuqia mesatare. Nëse është kryesisht një lazer pulsi, nuk mund të arrihet prodhimi i vazhdueshëm; Por mund të transmetohet përmes fibrave optike dhe në të njëjtën kohë rritet shkalla e përthithjes së materialeve metalike dhe fillon të aplikohet në materialet me reflektim të lartë, të aplikuara për herë të parë në fushën 3C;
Lazeri me fibra: Rryma aktuale në treg përdor fibër të dopuar me yterbium si mjet fitimi, me një gjatësi vale prej 1060 nm. Më tej ndahet në lazer me fibra dhe disqe bazuar në formën e mediumit; Fibra optike përfaqëson IPG, ndërsa disku përfaqëson Tongkuai.
Lazeri gjysmëpërçues: Mediumi i fitimit është një kryqëzim PN gjysmëpërçues, dhe gjatësia e valës së lazerit gjysmëpërçues është kryesisht në 976 nm. Aktualisht, lazerët gjysmëpërçues afër infra të kuqe përdoren kryesisht për veshje, me pika të lehta mbi 600um. Laserline është një ndërmarrje përfaqësuese e lazerëve gjysmëpërçues.
Klasifikohet sipas formës së veprimit të energjisë: lazer pulsi (PULSE), lazer pothuajse i vazhdueshëm (QCW), lazer i vazhdueshëm (CW)
Lazer pulsi: nanosekonda, pikosekonda, femtosekonda, ky lazer pulsi me frekuencë të lartë (ns, gjerësia e pulsit) shpesh mund të arrijë energji të pikut të lartë, përpunim me frekuencë të lartë (MHZ), i përdorur për përpunimin e materialeve të hollë bakri dhe alumini të ndryshëm, si dhe pastrimin kryesisht. . Duke përdorur energji të pikut të lartë, ai mund të shkrijë shpejt materialin bazë, me kohë të ulët veprimi dhe zonë të vogël të prekur nga nxehtësia. Ka përparësi në përpunimin e materialeve ultra të holla (nën 0,5 mm);
Lazeri pothuajse i vazhdueshëm (QCW): Për shkak të shkallës së lartë të përsëritjes dhe ciklit të ulët të punës (nën 50%), gjerësia e pulsit tëLazer QCWarrin 50 us-50 ms, duke mbushur hendekun midis lazerit me fibër të vazhdueshme të nivelit kilovat dhe lazerit me puls me ndërprerje Q; Fuqia maksimale e një lazeri me fibra pothuajse të vazhdueshme mund të arrijë 10 herë më shumë se fuqia mesatare në funksionimin e modalitetit të vazhdueshëm. Lazerët QCW në përgjithësi kanë dy mënyra, njëri është saldimi i vazhdueshëm me fuqi të ulët dhe tjetri është saldimi me lazer me puls me një fuqi maksimale 10 herë më të madhe se fuqia mesatare, e cila mund të arrijë materiale më të trasha dhe më shumë saldim me nxehtësi, duke kontrolluar gjithashtu nxehtësinë brenda një gamë shumë e vogël;
Laser i vazhdueshëm (CW): Ky është më i përdoruri dhe shumica e lazerëve që shihen në treg janë lazer CW që nxjerrin vazhdimisht lazer për përpunimin e saldimit. Lazerët me fibra ndahen në lazer me një dhe me shumë mënyra sipas diametrave të ndryshëm të bërthamës dhe cilësive të rrezeve, dhe mund të përshtaten për skenarë të ndryshëm aplikimi.
Koha e postimit: Dhjetor-20-2023
