Dlaczego musimy znać zasadę działania laserów?
Poznanie różnic między powszechnie stosowanymi laserami półprzewodnikowymi, włóknami, dyskami iLaser YAGmoże również pomóc w lepszym zrozumieniu procesu selekcji i umożliwieniu udziału w większej liczbie dyskusji.
Artykuł koncentruje się głównie na zagadnieniach popularnonaukowych: krótkie wprowadzenie do zasad generacji laserów, podstawowa budowa laserów i kilka powszechnie spotykanych typów laserów.
Po pierwsze, zasada generacji laserowej
Laser powstaje w wyniku oddziaływania światła i materii, znanego jako wzmocnienie promieniowania wymuszonego. Zrozumienie wzmocnienia promieniowania wymuszonego wymaga znajomości koncepcji Einsteina dotyczących emisji spontanicznej, absorpcji wymuszonej i promieniowania wymuszonego, a także pewnych niezbędnych podstaw teoretycznych.
Podstawy teoretyczne 1: Model Bohra
Model Bohra przedstawia głównie wewnętrzną strukturę atomów, ułatwiając zrozumienie działania laserów. Atom składa się z jądra atomowego i elektronów znajdujących się poza nim, a orbitale elektronów nie są dowolne. Elektrony mają tylko niektóre orbitale, spośród których najbardziej wewnętrzny orbital nazywany jest stanem podstawowym. Jeśli elektron znajduje się w stanie podstawowym, jego energia jest najniższa. Jeśli elektron wyskakuje 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 występowania lasera jest to, że w tym modelu elektrony poruszają się po różnych orbitach. Jeśli elektrony absorbują energię, mogą przemieszczać się ze stanu podstawowego do wzbudzonego; jeśli elektron powraca ze stanu wzbudzonego do podstawowego, uwalnia energię, która często jest uwalniana w postaci lasera.
Podstawy teoretyczne 2: Teoria promieniowania wymuszonego Einsteina
W 1917 roku Einstein zaproponował teorię promieniowania wymuszonego, która stanowi podstawę teoretyczną laserów i ich produkcji: absorpcja lub emisja materii jest zasadniczo wynikiem oddziaływania pola promieniowania z cząsteczkami tworzącymi materię, a jej istotą jest przejście cząsteczek między różnymi poziomami energetycznymi. Istnieją trzy różne procesy w oddziaływaniu światła z materią: emisja spontaniczna, emisja wymuszona i absorpcja wymuszona. W przypadku układu zawierającego dużą liczbę cząsteczek te trzy procesy zawsze współistnieją i są ze sobą ściśle powiązane.
Emisja spontaniczna:
Jak pokazano na rysunku: elektron na wysokim poziomie energetycznym E2 spontanicznie przechodzi na niski poziom energetyczny E1 i emituje foton o energii hv i hv=E2-E1; Ten spontaniczny i niezależny proces przejścia nazywa się przejściem spontanicznym, a fale świetlne emitowane przez przejścia spontaniczne nazywane są promieniowaniem spontanicznym.
Charakterystyka emisji spontanicznej: Każdy foton jest niezależny, ma różne kierunki i fazy, a czas jego występowania jest losowy. Należy on do światła niespójnego i chaotycznego, które nie jest wymagane przez laser. Dlatego proces generacji laserowej musi redukować ten rodzaj światła rozproszonego. Jest to również jeden z powodów, dla których długość fali różnych laserów zawiera światło rozproszone. Przy odpowiedniej kontroli, udział emisji spontanicznej w laserze można pominąć. Im czystszy laser, taki jak 1060 nm, tym większa jest długość fali. Ten typ lasera charakteryzuje się stosunkowo stabilną szybkością absorpcji i mocą.
Wchłanianie stymulowane:
Elektrony na niskich poziomach energetycznych (niskich orbitalach), po zaabsorbowaniu fotonów, przechodzą na wyższe poziomy energetyczne (wysokie orbitale), a proces ten nazywa się absorpcją wymuszoną. Absorpcja wymuszona jest kluczowa i stanowi jeden z kluczowych procesów pompowania. Źródło pompujące lasera dostarcza energię fotonów, która powoduje przejście cząstek w ośrodku wzmocnienia i oczekiwanie na promieniowanie wymuszone na wyższych poziomach energetycznych, emitując laser.
Promieniowanie stymulowane:
Po napromieniowaniu światłem o energii zewnętrznej (hv = E2-E1), elektron na wysokim poziomie energetycznym zostaje wzbudzony przez foton zewnętrzny i przeskakuje na niski poziom energetyczny (orbita wysoka przechodzi na orbitę niską). Jednocześnie emituje foton, który jest dokładnie taki sam jak foton zewnętrzny. Proces ten nie absorbuje pierwotnego światła wzbudzenia, więc powstają dwa identyczne fotony, co można rozumieć jako odrzucenie przez elektron wcześniej zaabsorbowanego fotonu. Ten proces luminescencji nazywa się promieniowaniem wymuszonym i 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, a działanie lasera zależy od promieniowania stymulowanego. Dlatego struktura lasera ma na celu umożliwienie najpierw absorpcji stymulowanej, doprowadzając elektrony do wysokiego poziomu energetycznego, a następnie wzbudzenie, które powoduje, że duża liczba elektronów o wysokiej energii ulega stymulacji, uwalniając fotony. W ten sposób można wygenerować laser. Następnie przedstawimy strukturę lasera.
Struktura lasera:
Dopasuj strukturę lasera do warunków generacji lasera wymienionych wcześniej:
Warunki występowania i odpowiadająca im struktura:
1. Istnieje ośrodek wzmocnienia, który zapewnia efekt wzmocnienia jako ośrodek roboczy lasera, a jego aktywowane cząstki mają strukturę poziomów energetycznych odpowiednią do generowania promieniowania stymulowanego (głównie zdolne do pompowania elektronów na orbitale o wysokiej energii i istnienia przez pewien okres czasu, a następnie uwalniania fotonów w jednym oddechu poprzez promieniowanie stymulowane);
2. Istnieje zewnętrzne źródło wzbudzenia (źródło pompujące), które może pompować elektrony z dolnego poziomu na górny, powodując inwersję liczby cząstek między górnym i dolnym poziomem lasera (tj. gdy jest więcej cząstek o wysokiej energii niż cząstek o niskiej energii), np. lampa ksenonowa w laserach YAG;
3. Znajduje się tam rezonansowa komora, która może powodować oscylacje lasera, zwiększać 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 wyprowadzany z określoną energią).
Odpowiednia struktura jest pokazana na powyższym rysunku i przedstawia prostą strukturę lasera YAG. Inne struktury mogą być bardziej złożone, ale sedno sprawy jest takie. Proces generowania lasera jest pokazany na rysunku:
Klasyfikacja laserów: ogólnie klasyfikowane według ośrodka wzmocnienia lub formy energii lasera
Uzyskaj klasyfikację średnią:
Laser dwutlenku węgla:Środkiem wzmocnienia lasera dwutlenku węgla jest hel iLaser CO2,o długości fali lasera 10,6 um, który jest jednym z pierwszych wprowadzonych na rynek produktów laserowych. Wczesne spawanie laserowe opierało się głównie na laserze CO2, który obecnie jest używany głównie do spawania i cięcia materiałów niemetalowych (tkanin, tworzyw sztucznych, drewna itp.). Ponadto jest on również stosowany w maszynach litograficznych. Laser CO2 nie może być przesyłany światłowodami i porusza się przestrzennymi ścieżkami optycznymi. Najwcześniejsze metody Tongkuai były stosunkowo dobrze wykonane i wykorzystywano wiele urządzeń tnących;
Laser YAG (granat itrowo-glinowy): kryształy YAG domieszkowane jonami neodymu (Nd) lub itru (Yb) są wykorzystywane jako ośrodek wzmocnienia lasera o długości fali 1,06 μm. Laser YAG może generować wyższe impulsy, ale średnia moc jest niska, a moc szczytowa może być 15-krotnie wyższa. W przypadku lasera impulsowego nie można uzyskać ciągłej mocy wyjściowej; można go jednak przesyłać światłowodami, co powoduje wzrost absorpcji materiałów metalowych i jest obecnie stosowany w materiałach o wysokim współczynniku odbicia, po raz pierwszy w polu 3C.
Laser światłowodowy: Obecnie na rynku dominują lasery światłowodowe domieszkowane iterbem, o długości fali 1060 nm, jako ośrodek wzmocnienia. Ze względu na kształt ośrodka, lasery te dzielą się na lasery światłowodowe i dyskowe; laser światłowodowy to IPG, a dyskowy – Tongkuai.
Laser półprzewodnikowy: Ośrodkiem wzmocnienia jest złącze p-n półprzewodnikowe, a długość fali lasera półprzewodnikowego wynosi głównie 976 nm. Obecnie lasery półprzewodnikowe bliskiej podczerwieni są wykorzystywane głównie do platerowania, z plamkami świetlnymi powyżej 600 µm. Laserline jest reprezentatywnym przedsiębiorstwem zajmującym się laserami półprzewodnikowymi.
Podział ze względu na formę działania energii: laser impulsowy (PULSE), laser quasi-ciągły (QCW), laser ciągły (CW)
Laser impulsowy: nanosekunda, pikosekunda, femtosekunda – ten laser impulsowy o wysokiej częstotliwości (ns, szerokość impulsu) często osiąga wysoką energię szczytową i wysoką częstotliwość (MHz) przetwarzania. Jest stosowany do obróbki cienkich, miedzianych i aluminiowych materiałów o różnym pochodzeniu, a także głównie do czyszczenia. Dzięki wysokiej energii szczytowej może szybko stopić materiał bazowy, zapewniając krótki czas reakcji i małą strefę wpływu ciepła. Ma on zalety w obróbce ultracienkich materiałów (poniżej 0,5 mm).
Laser quasi-ciągły (QCW): Ze względu na wysoką częstotliwość powtarzania i niski współczynnik wypełnienia (poniżej 50%) szerokość impulsuLaser QCWOsiąga 50 µs-50 ms, wypełniając lukę między ciągłym laserem światłowodowym o mocy kilowatów a impulsowym laserem Q-switch. Moc szczytowa quasi-ciągłego lasera światłowodowego może osiągnąć 10-krotność średniej mocy w trybie ciągłym. Lasery QCW zazwyczaj mają dwa tryby: jeden to ciągłe spawanie przy niskiej mocy, a drugi to impulsowe spawanie laserowe o mocy szczytowej 10-krotnie większej od średniej, co pozwala na spawanie grubszych materiałów i większą ilość ciepła, a jednocześnie kontroluje ciepło w bardzo wąskim zakresie.
Laser ciągły (CW): Jest to najczęściej stosowany rodzaj lasera, a większość laserów dostępnych na rynku to lasery CW, które generują ciągłą wiązkę laserową do spawania. Lasery światłowodowe dzielą się na lasery jednomodowe i wielomodowe w zależności od średnicy rdzenia i jakości wiązki, i mogą być dostosowane do różnych scenariuszy zastosowań.
Czas publikacji: 20-12-2023
