Prinsip Generasi Laser

Napa kita kudu ngerti prinsip laser?

Ngerti beda antarane laser semikonduktor umum, serat, cakram, lanYAG laseruga bisa mbantu entuk pangerten sing luwih apik lan melu diskusi luwih akeh sajrone proses pemilihan.

Artikel kasebut utamane fokus ing ilmu pengetahuan populer: introduksi ringkes babagan prinsip generasi laser, struktur utama laser, lan sawetara jinis laser sing umum.

Kaping pisanan, prinsip generasi laser

Laser diasilake liwat interaksi antarane cahya lan materi, dikenal minangka amplifikasi radiasi stimulasi; Ngerteni amplifikasi radiasi sing dirangsang mbutuhake pangerten konsep Einstein babagan emisi spontan, penyerapan sing dirangsang, lan radiasi sing dirangsang, uga sawetara dhasar teori sing dibutuhake.

Landasan Teori 1: Model Bohr

Model Bohr utamané nyedhiyakake struktur internal atom, supaya gampang ngerti carane laser dumadi. Atom kasusun saka inti lan elektron ing njaba inti, lan orbital elektron ora sembarangan. Elektron mung nduweni orbital tartamtu, ing antarane orbital paling njero diarani kahanan lemah; Yen elektron ana ing kahanan lemah, energi kasebut paling murah. Yen elektron mlumpat metu saka orbit, diarani negara bungah pisanan, lan energi negara bungah pisanan bakal luwih dhuwur tinimbang negara lemah; Orbit liyane diarani negara bungah kapindho;

Alesan kenapa laser bisa kedadeyan amarga elektron bakal pindhah ing orbit sing beda ing model iki. Yen elektron nyerep energi, padha bisa mbukak saka negara lemah kanggo negara bungah; Yen elektron bali saka negara bungah kanggo negara lemah, iku bakal ngeculake energi, kang asring dirilis ing wangun laser.

Basis Teoretis 2: Teori Radiasi Terstimulasi Einstein

Ing taun 1917, Einstein ngusulake téyori radiasi sing dirangsang, sing dadi basis teoretis kanggo laser lan produksi laser: panyerepan utawa emisi materi minangka asil interaksi antara medan radiasi lan partikel sing mbentuk materi, lan inti. inti yaiku transisi partikel antarane tingkat energi sing beda. Ana telung proses beda ing interaksi antarane cahya lan materi: emisi spontan, emisi sing dirangsang, lan nyerep sing dirangsang. Kanggo sistem sing ngemot jumlah partikel sing akeh, telung proses iki tansah urip bebarengan lan ana hubungane.

Emisi spontan:

Kaya sing dituduhake ing gambar: elektron ing tingkat energi dhuwur E2 kanthi spontan pindhah menyang tingkat energi kurang E1 lan ngetokake foton kanthi energi hv, lan hv=E2-E1; Proses transisi spontan lan ora ana hubungane iki diarani transisi spontan, lan gelombang cahya sing dipancarake dening transisi spontan diarani radiasi spontan.

Karakteristik emisi spontan: Saben foton independen, kanthi arah lan fase sing beda, lan wektu kedadeyan uga acak. Iku belongs kanggo cahya incoherent lan semrawut, kang ora cahya dibutuhake dening laser. Mulane, proses generasi laser kudu nyuda jinis cahya kesasar iki. Iki uga minangka salah sawijining sebab kenapa dawane gelombang saka macem-macem laser duwe cahya nyimpang. Yen dikontrol kanthi apik, proporsi emisi spontan ing laser bisa diabaikan. Sing luwih murni laser, kayata 1060 nm, kabeh 1060 nm, Jinis laser iki nduweni tingkat panyerepan lan daya sing relatif stabil.

Panyerepan sing dirangsang:

Elektron ing tingkat energi sing kurang (orbital kurang), sawise nyerep foton, transisi menyang tingkat energi sing luwih dhuwur (orbital dhuwur), lan proses iki diarani penyerapan stimulasi. Nyerep panyerepan iku penting lan salah siji saka proses pumping tombol. Sumber pompa laser nyedhiyakake energi foton kanggo nyebabake partikel ing medium gain kanggo transisi lan ngenteni radiasi stimulasi ing tingkat energi sing luwih dhuwur, ngetokake laser.

Radiasi sing dirangsang:

Nalika disinari dening cahya saka energi njaba (hv=E2-E1), elektron ing tingkat energi dhuwur bungah dening foton njaba lan mlumpat menyang tingkat energi kurang (orbit dhuwur mlaku menyang orbit kurang). Ing wektu sing padha, iki ngetokake foton sing persis padha karo foton njaba. Proses iki ora nyerep cahya eksitasi asli, mula bakal ana rong foton sing padha, sing bisa dimangerteni minangka elektron spits metu foton sadurunge digunakke, Proses luminescence iki disebut radiation stimulasi, kang proses mbalikke saka panyerepan stimulus.

Sawise teori cetha, iku banget prasaja kanggo mbangun laser, minangka ditampilake ing tokoh ndhuwur: ing kahanan normal saka stabilitas materi, akèh-akèhé saka elektron ing negara lemah, elektron ing negara lemah, lan laser gumantung ing. stimulus radiation. Mulane, struktur laser kanggo ngidini panyerepan stimulus kedaden pisanan, nggawa elektron kanggo tingkat energi dhuwur, lan banjur nyediakake eksitasi kanggo nimbulaké nomer akeh elektron tingkat energi dhuwur kanggo ngalami radiation stimulus, ngeculake foton, Saka iki, laser bisa kui. Sabanjure, kita bakal ngenalake struktur laser.

Struktur laser:

Cocokake struktur laser karo kahanan generasi laser kasebut sadurungé siji:

Kondisi kedadeyan lan struktur sing cocog:

1. Ana medium gain sing nyedhiyakake efek amplifikasi minangka medium kerja laser, lan partikel sing diaktifake duwe struktur tingkat energi sing cocog kanggo ngasilake radiasi sing dirangsang (utamane bisa ngompa elektron menyang orbital energi dhuwur lan ana ing wektu tartamtu. , lan banjur ngeculake foton ing siji ambegan liwat radiasi stimulus);

2. Ana sumber eksitasi eksternal (sumber pompa) sing bisa ngompa elektron saka tingkat ngisor menyang tingkat ndhuwur, nyebabake inversi nomer partikel ing antarane tingkat laser ndhuwur lan ngisor (yaiku, nalika ana partikel energi sing luwih dhuwur tinimbang partikel energi rendah), kayata lampu xenon ing laser YAG;

3. Ana rongga resonansi sing bisa entuk osilasi laser, nambah dawa kerja materi kerja laser, layar mode gelombang cahya, ngontrol arah panyebaran sinar, kanthi selektif nggedhekake frekuensi radiasi sing dirangsang kanggo nambah monochromaticity (mesthi laser outputted ing energi tartamtu).

Struktur sing cocog ditampilake ing gambar ndhuwur, yaiku struktur prasaja saka laser YAG. Struktur liyane bisa uga luwih rumit, nanging inti iki. Proses generasi laser ditampilake ing gambar:

Klasifikasi laser: umume diklasifikasikake kanthi medium gain utawa kanthi bentuk energi laser

Entuk klasifikasi medium:

Laser karbon dioksida: Media gain saka laser karbon dioksida yaiku helium lanlaser CO2,kanthi dawa gelombang laser 10.6um, yaiku salah sawijining produk laser paling awal sing bakal diluncurake. Welding laser awal utamané adhedhasar laser karbon dioksida, kang saiki utamané dipigunakaké kanggo welding lan nglereni bahan non-logam (kain, plastik, kayu, etc.). Kajaba iku, uga digunakake ing mesin litografi. Laser karbon dioksida ora bisa ditularake liwat serat optik lan lelungan liwat jalur optik spasial, Tongkuai paling wiwitan ditindakake kanthi becik, lan akeh peralatan pemotong sing digunakake;

YAG (yttrium aluminium garnet) laser: YAG kristal doped karo neodymium (Nd) utawa yttrium (Yb) ion logam digunakake minangka medium gain laser, karo dawa gelombang emisi saka 1.06um. Laser YAG bisa ngasilake pulsa sing luwih dhuwur, nanging daya rata-rata kurang, lan daya puncak bisa tekan 15 kaping daya rata-rata. Yen utamané laser pulsa, output terus-terusan ora bisa ngrambah; Nanging bisa ditularake liwat serat optik, lan ing wektu sing padha, tingkat panyerepan saka bahan logam mundhak, lan iku wiwit Applied ing bahan reflektivitas dhuwur, pisanan Applied ing lapangan 3C;

Serat laser: Intine saiki ing pasar nggunakake serat doped ytterbium minangka medium gain, kanthi dawa gelombang 1060nm. Luwih dipérang dadi serat lan laser disk adhedhasar wangun medium; Serat optik makili IPG, dene cakram makili Tongkuai.

Laser semikonduktor: Media gain minangka persimpangan semikonduktor PN, lan dawa gelombang laser semikonduktor utamane ing 976nm. Saiki, laser cedhak-infra merah semikonduktor utamane digunakake kanggo cladding, kanthi titik cahya ing ndhuwur 600um. Laserline minangka perusahaan perwakilan laser semikonduktor.

Diklasifikasikake miturut bentuk aksi energi: Laser pulsa (PULSE), laser semu terus menerus (QCW), laser terus menerus (CW)

Laser pulsa: nanosecond, picosecond, femtosecond, laser pulsa frekuensi dhuwur iki (ns, jembaré pulsa) asring bisa entuk energi puncak dhuwur, Processing frekuensi dhuwur (MHZ), digunakake kanggo Processing lancip tembaga lan aluminium bahan beda, uga reresik biasane . Kanthi nggunakake energi puncak dhuwur, bisa cepet nyawiji materi basa, karo wektu tumindak kurang lan zona kena pengaruh panas cilik. Nduwe kaluwihan kanggo ngolah bahan ultra-tipis (ing ngisor 0,5mm);

Quasi continuous laser (QCW): Amarga tingkat pengulangan sing dhuwur lan siklus tugas sing kurang (ing ngisor 50%), lebar pulsaLaser QCWtekan 50 us-50 ms, ngisi longkangan antarane tingkat kilowatt terus-terusan serat laser lan Q-switched pulsa laser; Daya puncak saka laser serat terus-terusan quasi bisa tekan 10 kaping daya rata-rata ing operasi mode terus. Laser QCW umume duwe rong mode, siji yaiku welding terus-terusan kanthi daya sing sithik, lan liyane yaiku welding laser pulsed kanthi daya puncak 10 kaping daya rata-rata, sing bisa entuk bahan sing luwih kenthel lan luwih akeh welding panas, nalika uga ngontrol panas ing a sawetara cilik banget;

Laser Terus-terusan (CW): Iki sing paling umum digunakake, lan paling saka laser katon ing pasar laser CW sing terus-terusan output laser kanggo Processing welding. Laser serat dipérang dadi siji-modus lan multi-modus laser miturut diameteripun inti beda lan kuwalitas Beam, lan bisa dicocogake kanggo skenario aplikasi beda.