Principiu di Generazione Laser

Perchè avemu bisognu di cunnosce u principiu di laser?

Sapendu e sfarenze trà laser semiconductor cumuni, fibre, dischi, èlaser YAGpò ancu aiutà à acquistà una megliu comprensione è impegnà in più discussioni durante u prucessu di selezzione.

L'articulu principarmenti fucalizza nantu à a scienza pupulare: una breve introduzione à u principiu di generazione laser, a struttura principale di laser, è parechji tippi cumuni di laser.

Prima, u principiu di generazione laser

Laser hè generatu attraversu l'interazzione trà a luce è a materia, cunnisciuta cum'è amplificazione di a radiazione stimulata; A capiscitura di l'amplificazione di a radiazione stimulata hè bisognu di capiscenu i cuncetti di Einstein di emissione spontanea, l'assorbimentu stimulatu è a radiazione stimulata, è ancu di qualchi fundamenti teorichi necessarii.

Basi Teorica 1: Mudellu Bohr

U mudellu Bohr furnisce principarmenti a struttura interna di l'atomi, facendu fàciule per capiscenu cumu accade i laser. Un atomu hè cumpostu di un nucleu è elettroni fora di u nucleu, è l'orbitali di l'elettroni ùn sò micca arbitrarii. L'elettroni anu solu certi orbitali, frà i quali l'orbitale più internu hè chjamatu statu di terra; Se un elettrone hè in u statu di terra, a so energia hè u più bassu. Sè un electron salta fora di una orbita, hè chjamatu u primu statu eccitatu, è l'energia di u primu statu eccitatu serà più altu ch'è quellu di u statu di terra; Un'altra orbita hè chjamata u sicondu statu eccitatu;

U mutivu perchè u laser pò accade hè perchè l'elettroni si movenu in diverse orbite in stu mudellu. Se l'elettroni assorbanu l'energia, ponu curriri da u statu di terra à u statu eccitatu; Se un elettrone torna da u statu eccitatu à u statu di terra, liberarà energia, chì hè spessu liberata in forma di laser.

Basi Teorica 2: Teoria di a Radiazione Stimulata di Einstein

In u 1917, Einstein hà prupostu a teoria di a radiazione stimulata, chì hè a basa teorica per i laser è a produzzione di laser: l'absorzione o l'emissione di a materia hè essenzialmente u risultatu di l'interazzione trà u campu di radiazione è e particelle chì custituiscenu a materia, è u so core. l'essenza hè a transizione di particeddi trà diversi livelli di energia. Ci sò trè prucessi diffirenti in l'interazzione trà a luce è a materia: emissione spontanea, emissione stimulata è assorbimentu stimulatu. Per un sistema chì cuntene un gran numaru di particeddi, sti trè prucessi sempre coexistenu è sò strettamente ligati.

Emissione spontanea:

Cum'è mostra in a figura: un elettroni nantu à u livellu d'alta energia E2 spontaneamente transizione à u livellu di bassa energia E1 è emette un fotonu cù una energia di hv, è hv = E2-E1; Stu prucessu di transizione spontanea è senza relazione hè chjamata transizione spontanea, è l'onda di luce emessa da transizioni spontanee sò chjamate radiazione spontanea.

E caratteristiche di l'emissione spontanea: Ogni fotone hè indipendente, cù direzzione è fasi diffirenti, è u tempu d'occurrence hè ancu aleatoriu. Pertenece à a luce incoherente è caòtica, chì ùn hè micca a luce necessaria da u laser. Per quessa, u prucessu di generazione laser ci vole à riduce stu tipu di luce stray. Questu hè ancu unu di i mutivi per quessa chì a lunghezza d'onda di diversi lasers hà una luce vaga. Sè cuntrullatu bè, a proporzione di emissione spontanea in u laser pò esse ignorata. U più puri u laser, cum'è 1060 nm, hè tuttu 1060 nm, Stu tipu di laser hà un tassu d'absorzione è putenza relativamente stabile.

Assorbimentu stimulatu:

L'elettroni à u nivellu d'energia bassu (orbitali bassi), dopu l'absorzione di fotoni, a transizione à livelli d'energia più altu (orbitali alti), è questu prucessu hè chjamatu assorbimentu stimulatu. L'assorbimentu stimulatu hè cruciale è unu di i prucessi chjave di pumping. A fonti di pompa di u laser furnisce l'energia di fotoni per causà particelle in u mediu di guadagnu à a transizione è aspittà a radiazione stimulata à livelli d'energia più alti, emettendu u laser.

Radiazioni stimulate:

Quandu irradiatu da a luce di l'energia esterna (hv = E2-E1), l'elettrone à u livellu di l'energia alta hè eccitata da u fotonu esternu è salta à u livellu di energia bassa (l'orbita alta corre à l'orbita bassa). À u listessu tempu, emette un fotonu chì hè esattamente u listessu cum'è u fotonu esternu. Stu prucessu ùn assorbe a luce excitation uriginale, cusì ci sarà dui fotoni idèntica, chì pò esse capitu cum'è l 'elettrone sputa fora u photon assorbita nanzu, Stu prucessu luminiscenza hè chjamatu radiazione stimulated, chì hè u prucessu inversu di assorbimentu stimulated.

Dopu à a tiurìa hè chjaru, hè assai sèmplice di custruisce un laser, cum'è mostra in a figura sopra: in cundizioni nurmali di stabilità materiale, a maiò parte di l'elettroni sò in u statu di terra, l'elettroni in u statu di terra, è u laser dipende. radiazioni stimulati. Dunque, a struttura di u laser hè di permette l'absorzione stimulata per esse prima, purtendu l'elettroni à l'altu livellu d'energia, è dopu furnisce una eccitazione per pruvucà un gran numaru di elettroni d'altu livellu d'energia per sottumette a radiazione stimulata, liberendu fotoni, Da questu, laser pò esse generatu. Dopu, avemu da intruduce a struttura laser.

Struttura laser:

Abbina a struttura laser cù e cundizioni di generazione di laser citate prima una per una:

Cundizione d'occurrence è struttura currispondente:

1. Ci hè un mediu di guadagnu chì furnisce l'effettu di amplificazione cum'è u mediu di travagliu laser, è i so particeddi attivati ​​anu una struttura di livellu d'energia adattata per generà radiazioni stimulati (principalmente capaci di pump l'elettroni à orbitali d'alta energia è esistenu per un certu periodu di tempu). , è poi liberate fotoni in una respirazione per via di a radiazione stimulata);

2. Ci hè una fonte d'excitazione esterna (fonte di pompa) chì pò pompà l'elettroni da u livellu più bassu à u livellu supiriore, pruvucannu l'inversione di u numeru di particeddi trà i livelli supiriori è bassi di u laser (vale à dì, quandu ci sò più particeddi d'alta energia cà particeddi di bassa energia), cum'è a lampada di xenon in laser YAG;

3. Ci hè una cavità risonante chì pò ghjunghje l'oscillazione laser, aumentà a durata di u travagliu di u materiale di travagliu laser, schermu u modu di l'onda di luce, cuntrullà a direzzione di propagazione di u fasciu, amplificà selectivamente a frequenza di radiazione stimulata per migliurà a monocromaticità (assicurendu chì laser hè uscita à una certa energia).

A struttura currispundenti hè mostrata in a figura sopra, chì hè una struttura simplice di un laser YAG. L'altri strutture ponu esse più cumplessi, ma u core hè questu. U prucessu di generazione di laser hè mostratu in a figura:

Classificazione laser: generalmente classificatu per guadagnà mediu o per forma di energia laser

Guadagna classificazione media:

Laser à diossidu di carbonu: U guadagnu mediu di laser di diossidu di carbonu hè l'heliu èlaser CO2,cù una lunghezza d'onda laser di 10.6um, chì hè unu di i primi prudutti laser per esse lanciatu. U principiu di saldatura laser hè stata principarmenti basatu annantu à u laser di diossidu di carbonu, chì hè attualmente utilizatu principalmente per a saldatura è u taglio di materiali non metallici (tessuti, plastica, legnu, etc.). Inoltre, hè ancu utilizatu nantu à e macchine litografiche. U laser di diossidu di carbonu ùn pò micca esse trasmessu à traversu fibri ottichi è viaghja à traversu percorsi ottichi spaziali, U Tongkuai più anticu hè statu fattu relativamente bè, è assai equipaghji di taglio sò stati utilizati;

Laser YAG (yttrium aluminium garnet): I cristalli YAG dopati cù ioni di neodimiu (Nd) o ittriu (Yb) sò usati cum'è u mediu di guadagnu laser, cù una lunghezza d'onda di emissione di 1.06um. U laser YAG pò pruduce impulsi più alti, ma a putenza media hè bassa, è a putenza piccu pò ghjunghje à 15 volte a putenza media. S'ellu hè principarmenti un laser impulsu, a pruduzzioni cuntinuu ùn pò esse rializatu; Ma pò esse trasmessa à traversu fibri ottichi, è à u listessu tempu, u tassu di absorption di i materiali metallici aumenta, è hè cuminciatu à esse appiicatu in materiali d'alta riflettività, prima appiicati in u campu 3C;

Fibra laser: L'attuale mainstream in u mercatu usa fibra dopata à l'itterbiu cum'è u mediu di guadagnu, cù una lunghezza d'onda di 1060nm. Hè ancu divisu in fibra è laser di discu basatu nantu à a forma di u mediu; A fibra ottica rapprisenta IPG, mentri u discu rapprisenta Tongkuai.

Laser à semiconductor: u mediu di guadagnu hè una junction PN semiconductor, è a lunghezza d'onda di u laser semiconductor hè principalmente à 976nm. Attualmente, i laser semiconductor vicinu à l'infrarouge sò usati principalmente per u cladding, cù spots di luce sopra 600um. Laserline hè una impresa rappresentativa di laser semiconductor.

Classificatu da a forma d'azzione energetica: laser à impulsu (PULSE), laser quasi continuu (QCW), laser continuu (CW)

Laser à impulsu: nanosecondi, picosecondu, femtosecondu, stu laser à impulsu d'alta freccia (ns, larghezza di impulsu) pò spessu ottene energia di punta alta, trasfurmazioni d'alta frequenza (MHZ), utilizatu per trasfurmà materiali dissimilari di rame sottile è aluminiu, è ancu di pulizia soprattuttu. . Utilizendu l'energia di punta alta, pò funnu rapidamente u materiale di basa, cù u tempu d'azzione bassu è a zona affettata da u calore. Havi vantaghji in a trasfurmazioni di materiali ultra-sottili (sottu 0,5 mm);

Laser quasi cuntinuu (QCW): A causa di a freccia di ripetizione alta è u ciclu di duty bassu (sottu 50%), a larghezza di l'impulsu dilaser QCWrighjunghji 50 us-50 ms, riempia u spaziu trà u laser di fibra cuntinuu di livellu kilowatt è u laser di impulsu Q-switched; A putenza piccu di un laser di fibra quasi cuntinuu pò ghjunghje sin'à 10 volte u putere mediu sottu u funziunamentu di modu cuntinuu. I laser QCW in generale anu dui modi, unu hè a saldatura cuntinuu à bassa putenza, è l'altru hè a saldatura laser pulsata cù una putenza di punta di 10 volte a putenza media, chì ponu ottene materiali più grossi è più saldatura di calore, mentre cuntrullà ancu u calore in un. gamma assai chjuca;

Laser Continuu (CW): Questu hè u più cumunimenti utilizatu, è a maiò parte di i laser visti nantu à u mercatu sò laser CW chì producenu continuamente laser per u prucessu di saldatura. I laser di fibra sò divisi in laser monomode è multimodale secondu diversi diametri di core è qualità di fasciu, è ponu esse adattati à diversi scenarii d'applicazione.