Parimi i Gjenerimit të Lazerit

Pse duhet ta dimë parimin e lazerëve?

Njohja e ndryshimeve midis lazerëve të zakonshëm gjysmëpërçues, fibrave, disqeve dheLazer YAGgjithashtu mund të ndihmojë për të fituar një kuptim më të mirë dhe për t'u angazhuar në më shumë diskutime gjatë procesit të përzgjedhjes.

Artikulli përqendrohet kryesisht në shkencën popullore: një hyrje e shkurtër në parimin e gjenerimit të lazerëve, strukturën kryesore të lazerëve dhe disa lloje të zakonshme të lazerëve.

Së pari, parimi i gjenerimit të lazerit

Lazeri gjenerohet nëpërmjet bashkëveprimit midis dritës dhe materies, i njohur si amplifikim i rrezatimit të stimuluar; Të kuptuarit e amplifikimit të rrezatimit të stimuluar kërkon kuptimin e koncepteve të Ajnshtajnit për emetimin spontan, thithjen e stimuluar dhe rrezatimin e stimuluar, si dhe disa themele teorike të nevojshme.

Baza Teorike 1: Modeli i Bohr-it

Modeli i Bohr-it ofron kryesisht strukturën e brendshme të atomeve, duke e bërë të lehtë të kuptohet 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, midis të cilave orbitali më i brendshëm quhet gjendja themelore; Nëse një elektron është në gjendjen themelore, energjia e tij është më e ulëta. Nëse një elektron del nga një orbitë, kjo quhet gjendja e parë e ngacmuar, dhe energjia e gjendjes së parë të ngacmuar do të jetë më e lartë se ajo e gjendjes themelore; 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 themelore në gjendjen e ngacmuar; Nëse një elektron kthehet nga gjendja e ngacmuar në gjendjen themelore, ai do të çlirojë energji, e cila shpesh çlirohet në formën e një lazeri.

Baza Teorike 2: Teoria e Rrezatimit të Stimuluar e Ajnshtajnit

Në vitin 1917, Ajnshtajni propozoi teorinë e rrezatimit të stimuluar, e cila është baza teorike për lazerët dhe prodhimin e lazerëve: thithja ose emetimi i materies është në thelb rezultat i bashkëveprimit midis fushës së rrezatimit dhe grimcave që përbëjnë materien, dhe thelbi i saj kryesor 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.

Emetim spontan:

Siç tregohet në figurë: një elektron në nivelin e energjisë së lartë E2 kalon spontanisht në nivelin e energjisë së ulët E1 dhe lëshon një foton me një energji hv, dhe hv=E2-E1; Ky proces spontan dhe i palidhur tranzicioni 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. Ai i përket dritës jokoherente dhe kaotike, e cila nuk është drita e kërkuar nga lazeri. Prandaj, procesi i gjenerimit të lazerit duhet të zvogëlojë këtë lloj drite të humbur. Kjo është gjithashtu një nga arsyet pse gjatësia e valës së lazerëve të ndryshëm ka dritë të humbur. Nëse kontrollohet mirë, përqindja e emetimit spontan në lazer mund të injorohet. Sa më i pastër të jetë lazeri, si p.sh. 1060 nm, është i gjithi 1060 nm. Ky lloj lazeri ka një shkallë thithjeje dhe fuqi relativisht të qëndrueshme.

Thithja e stimuluar:

Elektronet në nivele të ulëta energjie (orbitale të ulëta), pasi thithin fotone, kalojnë në nivele më të larta energjie (orbitale të larta), dhe ky proces quhet thithje e stimuluar. Thithja e stimuluar është thelbësore dhe një nga proceset kryesore të pompimit. Burimi i pompës së lazerit siguron energji fotoni për të bërë që grimcat në mjedisin e fitimit të kalojnë dhe të presin rrezatim të stimuluar në nivele më të larta energjie, 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 si elektroni që nxjerr fotonin e absorbuar më parë. Ky proces lumineshence quhet rrezatim i stimuluar, i cili është procesi i kundërt i thithjes 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 të materialit, shumica dërrmuese e elektroneve janë në gjendjen themelore, elektronet në gjendjen themelore dhe lazeri varet nga rrezatimi i stimuluar. Prandaj, struktura e lazerit është të lejojë që thithja e stimuluar të ndodhë së pari, duke i sjellë elektronet në nivelin e lartë të energjisë dhe më pas duke siguruar një ngacmim për të shkaktuar që një numër i madh elektronesh të nivelit të lartë të energjisë t'i nënshtrohen rrezatimit të stimuluar, duke çliruar fotone. Nga kjo, mund të gjenerohet lazeri. 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:

Kushti i ndodhjes dhe struktura përkatëse:

1. Ekziston një medium fitimi që siguron efekt amplifikimi si medium pune me lazer, dhe grimcat e tij të aktivizuara kanë një strukturë të nivelit të energjisë të përshtatshme për gjenerimin e rrezatimit të stimuluar (kryesisht të afta të pompojnë elektrone në orbitale me energji të lartë dhe të ekzistojnë për një periudhë të caktuar kohore, dhe pastaj të lëshojnë fotone me një frymëmarrje përmes rrezatimit të stimuluar);

2. Ekziston një burim ngacmimi i jashtëm (burim pompe) që mund të pompojë elektrone nga niveli i poshtëm në nivelin e sipërm, duke shkaktuar përmbysje të numrit të grimcave midis niveleve të sipërme dhe të poshtme të lazerit (domethënë, kur ka më shumë grimca me energji të lartë sesa grimca me energji të ulët), siç është llamba ksenon në lazerët YAG;

3. Ekziston një zgavër rezonante që mund të arrijë lëkundjen e lazerit, të rrisë gjatësinë e punës së materialit të punës së lazerit, të filtrojë mënyrën e valës së dritës, të kontrollojë drejtimin e përhapjes së rrezes, të amplifikojë në mënyrë selektive frekuencën e rrezatimit të stimuluar për të përmirësuar monokromaticitetin (duke siguruar që lazeri të dalë me një energji të caktuar).

Struktura përkatëse është treguar 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 treguar në figurë:

Klasifikimi i lazerit: përgjithësisht klasifikohet sipas mediumit të fitimit ose sipas formës së energjisë së lazerit

Klasifikimi i mediumit të fitimit:

Lazer dioksidi karboniMjeti i fitimit të lazerit të dioksidit të karbonit është heliumi dheLazer CO2,me një gjatësi vale lazeri prej 10.6um, që është një nga produktet më të hershme lazer që u lançua. Saldimi i hershëm me lazer bazohej kryesisht në lazerin me dioksid karboni, i cili aktualisht përdoret kryesisht për saldimin dhe prerjen e materialeve jometalike (pëlhura, plastikë, dru, etj.). Përveç kësaj, përdoret edhe në makinat e litografisë. Lazeri me dioksid karboni nuk mund të transmetohet përmes fibrave optike dhe udhëton përmes shtigjeve optike hapësinore. Tongkuai i hershëm u bë relativisht mirë dhe u përdorën shumë pajisje prerëse;

Lazer YAG (granatë alumini itriumi): Kristalet YAG të dopuara me jone metalike neodimi (Nd) ose itriumi (Yb) përdoren si medium për fitimin e lazerit, me një gjatësi vale emetimi prej 1.06um. Lazeri YAG mund të japë impulse më të larta, por fuqia mesatare është e ulët dhe fuqia maksimale mund të arrijë 15 herë fuqinë mesatare. Nëse është kryesisht një lazer pulsi, nuk mund të arrihet prodhim i vazhdueshëm; Por mund të transmetohet përmes fibrave optike, dhe në të njëjtën kohë, shkalla e thithjes së materialeve metalike rritet, dhe po fillon të aplikohet në materiale me reflektim të lartë, të aplikuara së pari në fushën 3C;

Lazer me fibra: Tregu kryesor aktual përdor fibra të dopuar me iterbium si medium përforcues, me një gjatësi vale prej 1060 nm. Ai ndahet më tej në lazer me fibra dhe disk bazuar në formën e mediumit; Fibra optike përfaqëson IPG, ndërsa disku përfaqëson Tongkuai.

Lazer gjysmëpërçues: Mjeti i përforcimit 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 veshjen, me njolla drite mbi 600um. Laserline është një ndërmarrje përfaqësuese e lazerëve gjysmëpërçues.

Klasifikohet sipas formës së veprimit të energjisë: Lazer pulsues (PULSE), lazer kuazi i vazhdueshëm (QCW), lazer i vazhdueshëm (CW)

Lazer pulsi: nanosekonda, pikosekonda, femtosekonda, ky lazer pulsi me frekuencë të lartë (ns, gjerësi pulsi) shpesh mund të arrijë energji të lartë kulmore, përpunim me frekuencë të lartë (MHZ), i përdorur për përpunimin e materialeve të holla të ndryshme nga bakri dhe alumini, si dhe kryesisht për pastrim. Duke përdorur energji të lartë kulmore, 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);

Lazer kuazi 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 boshllëkun midis lazerit me fibra të vazhdueshme në nivel kilovat dhe lazerit me puls me ndërrim Q; Fuqia maksimale e një lazeri me fibra kuazi të vazhdueshme mund të arrijë 10 herë fuqinë mesatare në modalitetin e funksionimit të vazhdueshëm. Lazerët QCW në përgjithësi kanë dy mënyra, njëri është saldimi i vazhdueshëm me fuqi të ulët dhe tjetri është saldimi me lazer të pulsuar me një fuqi maksimale 10 herë fuqinë mesatare, i cili mund të arrijë materiale më të trasha dhe më shumë saldim me nxehtësi, ndërsa kontrollon gjithashtu nxehtësinë brenda një diapazoni shumë të vogël;

Lazer i Vazhdueshëm (CW): Ky është më i përdoruri dhe shumica e lazerëve që shihen në treg janë lazerë CW që prodhojnë vazhdimisht lazer për përpunimin e saldimit. Lazerët me fibra ndahen në lazerë me një modalitet dhe shumë modalitet sipas diametrave të ndryshëm të bërthamës dhe cilësive të rrezes, dhe mund të përshtaten për skenarë të ndryshëm aplikimi.