Principo de Lasera Generado

Kial ni bezonas scii la principon de laseroj?

Sciante la diferencojn inter komunaj duonkonduktaĵaj laseroj, fibroj, diskoj kajYAG-laseroankaŭ povas helpi akiri pli bonan komprenon kaj partopreni en pli da diskutoj dum la elektoprocezo.

La artikolo ĉefe fokusiĝas al popularscienco: mallonga enkonduko al la principo de lasergenerado, la ĉefa strukturo de laseroj, kaj pluraj komunaj tipoj de laseroj.

Unue, la principo de lasera generado

Lasero estas generita per la interago inter lumo kaj materio, konata kiel stimulita radiada plifortigo; Kompreni stimulitan radiadan plifortigon postulas kompreni la konceptojn de Einstein pri spontanea eligo, stimulita sorbado kaj stimulita radiado, same kiel kelkajn necesajn teoriajn fundamentojn.

Teoria Bazo 1: Modelo de Bohr

La modelo de Bohr ĉefe provizas la internan strukturon de atomoj, faciligante kompreni kiel laseroj okazas. Atomo konsistas el nukleo kaj elektronoj ekster la nukleo, kaj la orbitaloj de elektronoj ne estas arbitraj. Elektronoj havas nur certajn orbitalojn, inter kiuj la plej interna orbitalo nomiĝas la bazstato; Se elektrono estas en la bazstato, ĝia energio estas la plej malalta. Se elektrono saltas el orbito, ĝi nomiĝas la unua ekscitita stato, kaj la energio de la unua ekscitita stato estos pli alta ol tiu de la bazstato; Alia orbito nomiĝas la dua ekscitita stato;

La kialo, kial lasero povas okazi, estas ĉar elektronoj moviĝos en malsamaj orbitoj en ĉi tiu modelo. Se elektronoj absorbas energion, ili povas kuri de la bazstato al la ekscitita stato; se elektrono revenas de la ekscitita stato al la bazstato, ĝi liberigos energion, kiu ofte estas liberigita en la formo de lasero.

Teoria Bazo 2: La Teorio de Stimulita Radiado de Einstein

En 1917, Einstein proponis la teorion pri stimulita radiado, kiu estas la teoria bazo por laseroj kaj laserproduktado: la sorbado aŭ emisio de materio estas esence la rezulto de la interago inter la radia kampo kaj la partikloj, kiuj konsistigas la materion, kaj ĝia kerna esenco estas la transiro de partikloj inter malsamaj energiniveloj. Ekzistas tri malsamaj procezoj en la interago inter lumo kaj materio: spontanea emisio, stimulita emisio kaj stimulita sorbado. Por sistemo enhavanta grandan nombron da partikloj, ĉi tiuj tri procezoj ĉiam kunekzistas kaj estas proksime rilataj.

Spontanea emisio:

Kiel montrite en la figuro: elektrono sur la alt-energia nivelo E2 spontanee transiras al la malalt-energia nivelo E1 kaj elsendas fotonon kun energio de hv, kaj hv = E2 - E1; Ĉi tiu spontanea kaj senrilata transira procezo nomiĝas spontanea transiro, kaj la lumondoj elsenditaj de spontaneaj transiroj nomiĝas spontanea radiado.

La karakterizaĵoj de spontanea emisio: Ĉiu fotono estas sendependa, kun malsamaj direktoj kaj fazoj, kaj la aperotempo ankaŭ estas hazarda. Ĝi apartenas al nekohera kaj kaosa lumo, kiu ne estas la lumo bezonata de la lasero. Tial, la lasera generadprocezo bezonas redukti ĉi tiun tipon de devaga lumo. Ĉi tio estas ankaŭ unu el la kialoj, kial la ondolongo de diversaj laseroj havas devagan lumon. Se bone kontrolita, la proporcio de spontanea emisio en la lasero povas esti ignorata. Ju pli pura la lasero, ekzemple 1060 nm, des pli pura estas la tuta 1060 nm. Ĉi tiu tipo de lasero havas relative stabilan absorban rapidecon kaj potencon.

Stimulita sorbado:

Elektronoj ĉe malaltaj energiniveloj (malaltaj orbitaloj), post absorbado de fotonoj, transiras al pli altaj energiniveloj (altaj orbitaloj), kaj ĉi tiu procezo nomiĝas stimulita absorbado. Stimulita absorbado estas decida kaj unu el la ŝlosilaj pumpaj procezoj. La pumpfonto de la lasero provizas fotonenergion por igi partiklojn en la gajnomedio transiri kaj atendi stimulitan radiadon ĉe pli altaj energiniveloj, elsendante la laseron.

Stimulita radiado:

Kiam surradiita de lumo de ekstera energio (hv=E2-E1), la elektrono je alta energinivelo estas ekscitita de la ekstera fotono kaj saltas al malalta energinivelo (la alta orbito iras al malalta orbito). Samtempe, ĝi elsendas fotonon, kiu estas precize la sama kiel la ekstera fotono. Ĉi tiu procezo ne absorbas la originalan ekscitan lumon, do estos du identaj fotonoj, kion oni povas kompreni kiel la elektrono elsputas la antaŭe absorbitan fotonon. Ĉi tiu lumineska procezo nomiĝas stimulita radiado, kiu estas la inversa procezo de stimulita absorbado.

Post kiam la teorio estas klara, estas tre simple konstrui laseron, kiel montrite en la supra figuro: sub normalaj kondiĉoj de materiala stabileco, la vasta plimulto de elektronoj estas en la baza stato, kaj lasero dependas de stimulita radiado. Tial, la strukturo de la lasero estas permesi unue stimulitan absorbon, alportante elektronojn al alta energinivelo, kaj poste provizante eksciton por igi grandan nombron da alt-energiniveloj de elektronoj sperti stimulitan radiadon, liberigante fotonojn. El tio, lasero povas esti generita. Sekve, ni prezentos la laserstrukturon.

Lasera strukturo:

Kongruigu la laserstrukturon kun la lasergeneraj kondiĉoj menciitaj antaŭe unu post la alia:

Kondiĉo de okazo kaj koresponda strukturo:

1. Ekzistas gajnomedio, kiu provizas plifortigan efikon kiel la lasera labormedio, kaj ĝiaj aktivigitaj partikloj havas energinivelan strukturon taŭgan por generi stimulitan radiadon (ĉefe kapabla pumpi elektronojn al alt-energiaj orbitaloj kaj ekzisti dum certa tempodaŭro, kaj poste liberigi fotonojn en unu spiro per stimulita radiado);

2. Ekzistas ekstera ekscita fonto (pumpfonto), kiu povas pumpi elektronojn de la pli malalta nivelo al la supra nivelo, kaŭzante inversion de partikla nombro inter la supra kaj pli malalta niveloj de la lasero (t.e., kiam estas pli da alt-energiaj partikloj ol malalt-energiaj partikloj), kiel ekzemple la ksenona lampo en YAG-laseroj;

3. Ekzistas resonanca kavaĵo, kiu povas atingi laseran osciladon, pliigi la laborlongon de la lasera labormaterialo, ŝirmi la lumondan reĝimon, kontroli la disvastiĝdirekton de la fasko, selekteme amplifiki la stimulitan radiadan frekvencon por plibonigi monokromatecon (certigante, ke la lasero estas eligata je certa energio).

La koresponda strukturo estas montrita en la supra figuro, kiu estas simpla strukturo de YAG-lasero. Aliaj strukturoj povas esti pli kompleksaj, sed la kerno estas jena. La procezo de lasera generado estas montrita en la figuro:

Lasera klasifiko: ĝenerale klasifikita laŭ gajnomedio aŭ laŭ lasera energioformo

Klasifiko de gajno de meza:

Karbondioksida laseroLa gajnomedio de karbondioksida lasero estas heliumo kajCO2-lasero,kun lasera ondolongo de 10.6 µm, kiu estas unu el la plej fruaj lanĉotaj laseraj produktoj. La frua lasera veldado estis ĉefe bazita sur karbondioksida lasero, kiu nuntempe estas uzata ĉefe por veldado kaj tranĉado de nemetalaj materialoj (ŝtofoj, plastoj, ligno, ktp.). Krome, ĝi ankaŭ estas uzata sur litografiaj maŝinoj. Karbondioksida lasero ne povas esti transdonita tra optikaj fibroj kaj vojaĝas tra spacaj optikaj vojoj. La plej frua Tongkuai estis farita relative bone, kaj multe da tranĉa ekipaĵo estis uzata;

YAG (itrio-aluminia granato) lasero: YAG-kristaloj dopitaj per neodimaj (Nd) aŭ itrio-(Yb) metaljonoj estas uzataj kiel la lasera gajnomedio, kun emisia ondolongo de 1.06 µm. La YAG-lasero povas eligi pli altajn pulsojn, sed la averaĝa potenco estas malalta, kaj la pinta potenco povas atingi 15-oblan averaĝan potencon. Se ĝi estas ĉefe pulsa lasero, kontinua eligo ne povas esti atingita; Sed ĝi povas esti transdonita tra optikaj fibroj, kaj samtempe, la sorba rapideco de metalaj materialoj pliiĝas, kaj ĝi komencas esti aplikata en alt-reflektivecaj materialoj, unue aplikata en la 3C-kampo;

Fibra lasero: La nuna ĉeftendenco en la merkato uzas iterbium-dopitan fibron kiel la gajnomedion, kun ondolongo de 1060nm. Ĝi estas plue dividita en fibrajn kaj diskajn laserojn laŭ la formo de la medio; Fibro optika reprezentas IPG, dum disko reprezentas Tongkuai.

Duonkondukta lasero: La gajnomedio estas duonkondukta PN-kruciĝo, kaj la ondolongo de la duonkondukta lasero estas ĉefe je 976 nm. Nuntempe, duonkonduktaj preskaŭ-infraruĝaj laseroj estas ĉefe uzataj por tegaĵo, kun lumpunktoj super 600 µm. Laserline estas reprezenta entrepreno de duonkonduktaj laseroj.

Klasifikita laŭ la formo de energiago: Pulslasero (PULSE), kvazaŭkontinua lasero (QCW), kontinua lasero (CW)

Pulsa lasero: nanosekundoj, pikosekundoj, femtosekundoj, ĉi tiu altfrekvenca pulsa lasero (ns, pulslarĝo) ofte povas atingi altan pintan energion, altfrekvencan (MHZ) prilaboradon, uzata por prilabori maldikajn kuprajn kaj aluminiajn malsimilajn materialojn, kaj ankaŭ plejparte por purigi. Uzante altan pintan energion, ĝi povas rapide fandi la bazmaterialon, kun mallonga agtempo kaj malgranda varmo-efikita zono. Ĝi havas avantaĝojn en prilaborado de ultra-maldikaj materialoj (sub 0.5mm);

Kvazaŭ kontinua lasero (KK): Pro alta ripetfrekvenco kaj malalta ŝarĝciklo (sub 50%), la pulslarĝo deQCW-laseroatingas 50 us-50 ms, plenigante la interspacon inter kilovatta nivelo de kontinua fibra lasero kaj Q-ŝaltita pulsa lasero; La pinta potenco de kvazaŭkontinua fibra lasero povas atingi 10-oblan averaĝan potencon sub kontinua reĝima funkciado. QCW-laseroj ĝenerale havas du reĝimojn, unu estas kontinua veldado je malalta potenco, kaj la alia estas pulsa lasera veldado kun pinta potenco de 10-obla averaĝa potenco, kiu povas atingi pli dikajn materialojn kaj pli da varmoveldado, samtempe kontrolante la varmon ene de tre malgranda intervalo;

Kontinua Lasero (KL): Ĉi tiu estas la plej ofte uzata, kaj la plej multaj el la laseroj vidataj sur la merkato estas KL-laseroj, kiuj kontinue eligas laseron por veldado. Fibraj laseroj estas dividitaj en unu-reĝimajn kaj plur-reĝimajn laserojn laŭ malsamaj kernaj diametroj kaj radiokvalitoj, kaj povas esti adaptitaj al malsamaj aplikaj scenaroj.