Dlaczego musimy znać zasadę działania laserów?
Poznanie różnic pomiędzy popularnymi laserami półprzewodnikowymi, włóknami, dyskami iLaser YAGmoże również pomóc w lepszym zrozumieniu i zaangażowaniu się w więcej dyskusji w trakcie procesu selekcji.
Artykuł koncentruje się głównie na popularnonauce: krótkie wprowadzenie do zasady generowania lasera, głównej struktury laserów i kilku popularnych typów laserów.
Po pierwsze, zasada generowania lasera
Laser jest generowany w wyniku interakcji między światłem a materią, zwanej wzmocnieniem promieniowania wymuszonego; Zrozumienie wzmocnienia promieniowania wymuszonego wymaga zrozumienia koncepcji Einsteina dotyczących emisji spontanicznej, absorpcji wymuszonej i promieniowania wymuszonego, a także pewnych niezbędnych podstaw teoretycznych.
Podstawa teoretyczna 1: Model Bohra
Model Bohra przedstawia głównie wewnętrzną strukturę atomów, co ułatwia zrozumienie, w jaki sposób powstają lasery. Atom składa się z jądra i elektronów znajdujących się poza jądrem, a orbitale elektronów nie są dowolne. Elektrony mają tylko określone orbitale, spośród których najbardziej wewnętrzny orbital nazywany jest stanem podstawowym; Jeśli elektron znajduje się w stanie podstawowym, jego energia jest najniższa. Jeśli elektron wyskoczy z orbity, nazywa się to pierwszym stanem wzbudzonym, a energia pierwszego stanu wzbudzonego będzie wyższa niż energia stanu podstawowego; Inna orbita nazywana jest drugim stanem wzbudzonym;
Powodem pojawienia się lasera jest to, że w tym modelu elektrony będą poruszać się po różnych orbitach. Jeśli elektrony absorbują energię, mogą przejść ze stanu podstawowego do stanu wzbudzonego; Jeśli elektron powróci ze stanu wzbudzonego do stanu podstawowego, wyzwoli energię, która często jest uwalniana w postaci lasera.
Podstawa teoretyczna 2: Teoria promieniowania stymulowanego Einsteina
W 1917 roku Einstein zaproponował teorię promieniowania wymuszonego, która stanowi teoretyczną podstawę laserów i ich produkcji: absorpcja lub emisja materii jest zasadniczo wynikiem interakcji między polem promieniowania a cząstkami tworzącymi materię i jej rdzeniem istotą jest przejście cząstek pomiędzy różnymi poziomami energii. W interakcji światła z materią zachodzą trzy różne procesy: emisja spontaniczna, emisja wymuszona i absorpcja wymuszona. W przypadku układu zawierającego dużą liczbę cząstek te trzy procesy zawsze współistnieją i są ze sobą ściśle powiązane.
Emisja spontaniczna:
Jak pokazano na rysunku: elektron na poziomie wysokoenergetycznym E2 samoistnie przechodzi na poziom niskoenergetyczny E1 i emituje foton o energii hv, oraz hv=E2-E1; Ten spontaniczny i niepowiązany proces przejścia nazywany jest przejściem spontanicznym, a fale świetlne emitowane w wyniku przejść spontanicznych nazywane są promieniowaniem spontanicznym.
Charakterystyka emisji spontanicznej: Każdy foton jest niezależny, ma różne kierunki i fazy, a czas wystąpienia również jest losowy. Należy do światła niespójnego i chaotycznego, które nie jest światłem wymaganym przez laser. Dlatego proces generowania lasera musi redukować tego typu światło rozproszone. Jest to również jeden z powodów, dla których długość fali różnych laserów ma światło rozproszone. Jeśli jest dobrze kontrolowany, udział emisji spontanicznej w laserze można zignorować. Im czystszy laser, np. 1060 nm, to wszystko wynosi 1060 nm. Ten typ lasera ma stosunkowo stabilną szybkość absorpcji i moc.
Stymulowane wchłanianie:
Elektrony na niskich poziomach energetycznych (niskie orbitale), po zaabsorbowaniu fotonów, przechodzą na wyższe poziomy energetyczne (wysokie orbitale), a proces ten nazywa się absorpcją wymuszoną. Stymulowana absorpcja jest kluczowa i stanowi jeden z kluczowych procesów pompowania. Źródło pompy lasera dostarcza energię fotonów, która powoduje przejście cząstek w ośrodku wzmacniającym i oczekiwanie na stymulowane promieniowanie o wyższych poziomach energii, emitując laser.
Stymulowane promieniowanie:
Elektron napromieniowany światłem o energii zewnętrznej (hv=E2-E1) zostaje wzbudzony przez foton zewnętrzny i przeskakuje na poziom o niskiej energii (orbita wysoka przechodzi na orbitę dolną). Jednocześnie emituje foton, który jest dokładnie taki sam jak foton zewnętrzny. Proces ten nie pochłania pierwotnego światła wzbudzenia, więc powstaną dwa identyczne fotony, co można rozumieć jako wypluwanie przez elektron fotonu wcześniej zaabsorbowanego. Ten proces luminescencji nazywa się promieniowaniem stymulowanym, co jest procesem odwrotnym do absorpcji wymuszonej.
Po wyjaśnieniu teorii zbudowanie lasera jest bardzo proste, jak pokazano na powyższym rysunku: w normalnych warunkach stabilności materiału zdecydowana większość elektronów znajduje się w stanie podstawowym, elektrony w stanie podstawowym, a laser zależy od promieniowanie stymulowane. Dlatego konstrukcja lasera ma umożliwiać najpierw wystąpienie absorpcji stymulowanej, doprowadzając elektrony do wysokiego poziomu energii, a następnie zapewnić wzbudzenie, które powoduje, że duża liczba elektronów o wysokim poziomie energii zostaje poddana promieniowaniu stymulowanemu, uwalniając fotony. Z tego, można wygenerować laser. Następnie przedstawimy strukturę lasera.
Struktura lasera:
Dopasuj po kolei strukturę lasera do warunków generacji lasera wspomnianych wcześniej:
Stan wystąpienia i odpowiadająca mu konstrukcja:
1. Istnieje ośrodek wzmacniający, który podobnie jak ośrodek roboczy lasera zapewnia efekt wzmocnienia, a jego aktywowane cząstki mają strukturę poziomów energii odpowiednią do generowania promieniowania wymuszonego (głównie zdolne do pompowania elektronów na orbitale wysokoenergetyczne i istnieją przez pewien okres czasu) , a następnie uwolnić fotony jednym oddechem poprzez promieniowanie stymulowane);
2. Istnieje zewnętrzne źródło wzbudzenia (źródło pompy), które może pompować elektrony z niższego poziomu na wyższy, powodując inwersję liczby cząstek pomiędzy górnym i dolnym poziomem lasera (tzn. gdy jest więcej cząstek o wysokiej energii niż cząstki niskoenergetyczne), takie jak lampa ksenonowa w laserach YAG;
3. Istnieje wnęka rezonansowa, która może osiągnąć oscylację lasera, zwiększyć długość roboczą materiału roboczego lasera, ekranować tryb fali świetlnej, kontrolować kierunek propagacji wiązki, selektywnie wzmacniać częstotliwość stymulowanego promieniowania w celu poprawy monochromatyczności (zapewniając, że laser jest emitowany z określoną energią).
Odpowiednią strukturę pokazano na powyższym rysunku, który jest prostą strukturą lasera YAG. Inne struktury mogą być bardziej złożone, ale rdzeń jest taki. Proces generowania lasera pokazano na rysunku:
Klasyfikacja lasera: ogólnie klasyfikowana według ośrodka wzmocnienia lub formy energii lasera
Zdobądź średnią klasyfikację:
Laser na dwutlenek węgla: Ośrodkiem wzmacniającym lasera na dwutlenku węgla jest hel ilaser CO2,o długości fali lasera 10,6um, co jest jednym z najwcześniej wprowadzonych na rynek produktów laserowych. Wczesne spawanie laserowe opierało się głównie na laserze dwutlenku węgla, który obecnie jest używany głównie do spawania i cięcia materiałów niemetalicznych (tkaniny, tworzywa sztuczne, drewno itp.). Ponadto jest również stosowany na maszynach litograficznych. Laser dwutlenku węgla nie może być transmitowany przez światłowody i przemieszcza się przestrzennymi ścieżkami optycznymi. Najwcześniejsze Tongkuai zostało wykonane stosunkowo dobrze i wykorzystano wiele sprzętu do cięcia;
Laser YAG (granat itrowo-glinowy): Kryształy YAG domieszkowane jonami metalu neodymu (Nd) lub itru (Yb) są stosowane jako ośrodek wzmocnienia lasera o długości fali emisji 1,06um. Laser YAG może generować wyższe impulsy, ale średnia moc jest niska, a moc szczytowa może osiągnąć 15-krotność średniej mocy. Jeśli jest to głównie laser impulsowy, nie można uzyskać ciągłej mocy wyjściowej; Ale może być przesyłany przez światłowody, a jednocześnie zwiększa się współczynnik absorpcji materiałów metalowych i zaczyna być stosowany w materiałach o wysokim współczynniku odbicia, po raz pierwszy zastosowanych w polu 3C;
Laser światłowodowy: Obecny główny nurt rynku wykorzystuje włókno domieszkowane iterbem jako medium wzmacniające, o długości fali 1060 nm. Ze względu na kształt ośrodka dzieli się je dalej na lasery światłowodowe i dyskowe; Światłowód reprezentuje IPG, a dysk reprezentuje Tongkuai.
Laser półprzewodnikowy: Ośrodkiem wzmacniającym jest półprzewodnikowe złącze PN, a długość fali lasera półprzewodnikowego wynosi głównie 976 nm. Obecnie do napawania wykorzystuje się głównie półprzewodnikowe lasery bliskiej podczerwieni, z plamami świetlnymi powyżej 600um. Laserline jest reprezentatywnym przedsiębiorstwem zajmującym się laserami półprzewodnikowymi.
Klasyfikacja ze względu na formę działania energii: laser impulsowy (PULSE), laser quasi-ciągły (QCW), laser ciągły (CW)
Laser impulsowy: nanosekundowy, pikosekundowy, femtosekundowy, ten laser impulsowy o wysokiej częstotliwości (ns, szerokość impulsu) często może osiągnąć wysoką energię szczytową, przetwarzanie o wysokiej częstotliwości (MHZ), stosowany do obróbki cienkich, odmiennych materiałów z miedzi i aluminium, a także głównie do czyszczenia . Wykorzystując wysoką energię szczytową, może szybko stopić materiał podstawowy, przy krótkim czasie działania i małej strefie wpływu ciepła. Ma zalety w obróbce ultracienkich materiałów (poniżej 0,5 mm);
Quasi-ciągły laser (QCW): Ze względu na wysoką częstotliwość powtarzania i niski cykl pracy (poniżej 50%) szerokość impulsuLaser QCWosiąga 50 us-50 ms, wypełniając lukę pomiędzy ciągłym laserem światłowodowym o mocy kilowatów a laserem impulsowym z przełączaniem Q; Moc szczytowa quasi-ciągłego lasera światłowodowego może osiągnąć 10-krotność średniej mocy w trybie pracy ciągłej. Lasery QCW zazwyczaj mają dwa tryby, jeden to spawanie ciągłe przy małej mocy, a drugi to spawanie laserowe impulsowe o mocy szczytowej 10-krotności średniej mocy, co pozwala uzyskać grubsze materiały i zgrzewać więcej ciepła, jednocześnie kontrolując ciepło w obrębie bardzo mały zasięg;
Laser ciągły (CW): Jest to najczęściej używany laser, a większość laserów dostępnych na rynku to lasery CW, które w sposób ciągły emitują laser do obróbki spawalniczej. Lasery światłowodowe dzielą się na lasery jednomodowe i wielomodowe w zależności od różnych średnic rdzenia i jakości wiązki i można je dostosować do różnych scenariuszy zastosowań.
Czas publikacji: 20 grudnia 2023 r
