Principiu di a Generazione Laser

Perchè ci vole à cunnosce u principiu di i laser?

Cunnosce e differenze trà i laser à semiconduttori cumuni, e fibre, i dischi èLaser YAGpò ancu aiutà à acquistà una megliu capiscitura è à impegnassi in più discussioni durante u prucessu di selezzione.

L'articulu si cuncentra principalmente nantu à a scienza pupulare: una breve introduzione à u principiu di a generazione laser, a struttura principale di i laser, è parechji tipi cumuni di laser.

Prima di tuttu, u principiu di a generazione laser

U laser hè generatu per via di l'interazzione trà a luce è a materia, cunnisciuta cum'è amplificazione di a radiazione stimulata; Capisce l'amplificazione di a radiazione stimulata richiede a capiscitura di i cuncetti di Einstein di emissione spontanea, assorbimentu stimulatu è radiazione stimulata, è ancu alcuni fundamenti teorichi necessarii.

Basa Teorica 1: Modellu di Bohr

U mudellu di Bohr furnisce principalmente a struttura interna di l'atomi, rendendu faciule capisce cumu si verificanu i laser. Un atomu hè cumpostu da 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 u più internu hè chjamatu statu fundamentale; Se un elettrone hè in u statu fundamentale, a so energia hè a più bassa. Se un elettrone salta fora di una orbita, hè chjamatu u primu statu eccitatu, è l'energia di u primu statu eccitatu serà più alta di quella di u statu fundamentale; Un'altra orbita hè chjamata u secondu statu eccitatu;

A ragione per a quale u laser pò accade hè perchè l'elettroni si movenu in orbite diverse in questu mudellu. Se l'elettroni assorbenu energia, ponu passà da u statu fundamentale à u statu eccitatu; Se un elettrone torna da u statu eccitatu à u statu fundamentale, libererà energia, chì hè spessu liberata in forma di laser.

Base Teorica 2: Teoria di a Radiazione Stimulata d'Einstein

In u 1917, Einstein hà prupostu a teoria di a radiazione stimulata, chì hè a basa teorica di i laser è di a pruduzzione di laser: l'assorbimentu o l'emissione di materia hè essenzialmente u risultatu di l'interazione trà u campu di radiazione è e particelle chì custituiscenu a materia, è a so essenza principale hè a transizione di e particelle trà diversi livelli d'energia. Ci sò trè prucessi diversi in l'interazione trà a luce è a materia: emissione spontanea, emissione stimulata è assorbimentu stimulatu. Per un sistema chì cuntene un gran numeru di particelle, sti trè prucessi coesistenu sempre è sò strettamente ligati.

Emissione spontanea:

Cum'è mostratu in a figura: un elettrone à u livellu d'alta energia E2 passa spontaneamente à u livellu di bassa energia E1 è emette un fotone cù una energia di hv, è hv = E2-E1; Stu prucessu di transizione spontaneu è senza relazione hè chjamatu transizione spontanea, è l'onde luminose emesse da transizioni spontanee sò chjamate radiazione spontanea.

E caratteristiche di l'emissione spontanea: Ogni fotone hè indipendente, cù diverse direzzione è fasi, è u tempu di apparizione hè ancu aleatoriu. Appartene à a luce incoerente è caotica, chì ùn hè micca a luce necessaria da u laser. Dunque, u prucessu di generazione di laser hà bisognu di riduce stu tipu di luce dispersa. Questa hè ancu una di e ragioni per chì a lunghezza d'onda di vari laser hà luce dispersa. Se ben cuntrullata, a proporzione di emissione spontanea in u laser pò esse trascurata. Più u laser hè puru, cum'è 1060 nm, hè tuttu 1060 nm, Stu tipu di laser hà un tassu di assorbimentu è una putenza relativamente stabili.

Assorbimentu stimulatu:

L'elettroni à bassi livelli d'energia (orbitali bassi), dopu avè assorbitu i fotoni, passanu à livelli d'energia più alti (orbitali alti), è stu prucessu hè chjamatu assorbimentu stimulatu. L'assorbimentu stimulatu hè cruciale è unu di i prucessi chjave di pompaggio. A fonte di pompaggio di u laser furnisce energia di fotoni per fà chì e particelle in u mezu di guadagnu passinu è aspittinu a radiazione stimulata à livelli d'energia più alti, emettendu u laser.

Radiazione stimulata:

Quandu hè irradiatu da a luce di l'energia esterna (hv = E2-E1), l'elettrone à u livellu d'alta energia hè eccitatu da u fotone esternu è salta à u livellu di bassa energia (l'orbita alta corre versu l'orbita bassa). À u listessu tempu, emette un fotone chì hè esattamente listessu chè u fotone esternu. Stu prucessu ùn assorbe micca a luce d'eccitazione originale, dunque ci saranu dui fotoni identichi, chì ponu esse capiti cum'è l'elettrone sputa u fotone assorbitu prima. Stu prucessu di luminescenza hè chjamatu radiazione stimulata, chì hè u prucessu inversu di l'assorbimentu stimulatu.

Dopu chì a teoria hè chjara, hè assai simplice di custruisce un laser, cum'è mostratu in a figura sopra: in cundizioni nurmali di stabilità di u materiale, a grande maggioranza di l'elettroni sò in u statu fundamentale, l'elettroni in u statu fundamentale, è u laser dipende da a radiazione stimulata. Dunque, a struttura di u laser hè di permette prima à l'assorbimentu stimulatu di accade, purtendu l'elettroni à u livellu d'alta energia, è dopu furnendu una eccitazione per fà chì un gran numeru di elettroni di livellu d'alta energia sianu sottumessi à a radiazione stimulata, liberendu fotoni. Da questu, si pò generà un laser. Dopu, presenteremu a struttura di u laser.

Struttura laser:

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

Cundizione di accadimentu è struttura currispundente:

1. Ci hè un mediu di guadagnu chì furnisce un effettu di amplificazione cum'è u mediu di travagliu laser, è e so particelle attivate anu una struttura di livellu d'energia adatta per generà radiazioni stimulate (principalmente capace di pompà elettroni in orbitali d'alta energia è esiste per un certu periodu di tempu, è dopu liberà fotoni in un soffiu per via di a radiazione stimulata);

2. Ci hè una fonte d'eccitazione esterna (fonte di pompa) chì pò pompà elettroni da u livellu inferiore à u livellu superiore, pruvucendu inversione di u numeru di particelle trà i livelli superiore è inferiore di u laser (vale à dì, quandu ci sò più particelle à alta energia chè particelle à bassa energia), cum'è a lampada à xenon in i laser YAG;

3. Ci hè una cavità risonante chì pò ottene l'oscillazione laser, aumentà a lunghezza di travagliu di u materiale di travagliu laser, schermà u modu di l'onda luminosa, cuntrullà a direzzione di propagazione di u fasciu, amplificà selettivamente a frequenza di radiazione stimulata per migliurà a monocromaticità (assicurendu chì u laser sia emessu à una certa energia).

A struttura currispundente hè mostrata in a figura sopra, chì hè una struttura simplice di un laser YAG. Altre strutture ponu esse più cumplesse, ma u core hè questu. U prucessu di generazione di laser hè mostratu in a figura:

Classificazione laser: generalmente classificata per mezu di guadagnu o per forma di energia laser

Classificazione di u mediu di guadagnu:

Laser di diossidu di carbonuU mezu di guadagnu di u laser à diossidu di carbonu hè l'eliu èlaser CO2,cù una lunghezza d'onda laser di 10,6 um, chì hè unu di i primi prudutti laser à esse lanciati. A prima saldatura laser era principalmente basata annantu à u laser à diossidu di carbonu, chì hè attualmente adupratu principalmente per a saldatura è u tagliu di materiali non metallici (tessuti, plastica, legnu, ecc.). Inoltre, hè ancu adupratu nantu à e macchine di litografia. U laser à diossidu di carbonu ùn pò esse trasmessu attraversu fibre ottiche è viaghja attraversu percorsi ottici spaziali, U primu Tongkuai hè statu fattu relativamente bè, è assai apparecchiature di tagliu sò state aduprate;

Laser YAG (granatu d'aluminiu è ittriu): I cristalli YAG drogati cù ioni metallichi di neodimiu (Nd) o ittriu (Yb) sò aduprati cum'è mezu di guadagnu laser, cù una lunghezza d'onda d'emissione di 1,06 um. U laser YAG pò pruduce impulsi più alti, ma a putenza media hè bassa, è a putenza di piccu pò ghjunghje à 15 volte a putenza media. S'ellu hè principalmente un laser à impulsi, ùn si pò ottene una pruduzzione cuntinua; Ma pò esse trasmessu per mezu di fibre ottiche, è à u listessu tempu, a velocità d'assorbimentu di i materiali metallichi aumenta, è principia à esse applicatu in materiali à alta riflettività, prima applicatu in u campu 3C;

Laser à fibra: L'attuale corrente principale in u mercatu usa fibra drogata à itterbiu cum'è mezu di guadagnu, cù una lunghezza d'onda di 1060 nm. Hè ancu divisu in laser à fibra è à discu secondu a forma di u mezu; A fibra ottica rapprisenta IPG, mentre chì u discu rapprisenta Tongkuai.

Laser à semiconduttore: U mezu di guadagnu hè una giunzione PN à semiconduttore, è a lunghezza d'onda di u laser à semiconduttore hè principalmente à 976 nm. Attualmente, i laser à semiconduttore vicinu à l'infrarossu sò principalmente aduprati per u rivestimentu, cù punti luminosi sopra à 600 um. Laserline hè una impresa rappresentativa di laser à semiconduttore.

Classificatu per a forma d'azione energetica: laser à impulsi (PULSE), laser quasi cuntinuu (QCW), laser cuntinuu (CW)

Laser à impulsi: nanosecondi, picosecondi, femtosecondi, questu laser à impulsi d'alta frequenza (ns, larghezza d'impulsu) pò spessu ottene un'energia di piccu elevata, un trattamentu d'alta frequenza (MHZ), utilizatu per u trattamentu di materiali dissimili di rame è aluminiu sottili, è ancu per a pulizia soprattuttu. Utilizendu un'energia di piccu elevata, pò scioglie rapidamente u materiale di basa, cù un tempu d'azione bassu è una piccula zona affettata da u calore. Hà vantaghji in u trattamentu di materiali ultra-sottili (sottu à 0,5 mm);

Laser quasi cuntinuu (QCW): A causa di l'alta frequenza di ripetizione è di u bassu ciclu di travagliu (sottu à 50%), a larghezza di l'impulsu diLaser QCWrighjunghje 50 us-50 ms, riempiendu u spaziu trà u laser à fibra cuntinua di livellu kilowatt è u laser à impulsi Q-switched; A putenza di piccu di un laser à fibra quasi cuntinua pò ghjunghje à 10 volte a putenza media in modu di funziunamentu continuu. I laser QCW anu generalmente dui modi, unu hè a saldatura cuntinua à bassa putenza, è l'altru hè a saldatura laser pulsata cù una putenza di piccu di 10 volte a putenza media, chì pò ottene materiali più spessi è più saldatura à calore, mentre cuntrolla ancu u calore in un intervallu assai chjucu;

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