Prinsip Pembangkitan Laser

Yagene kita kudu ngerti prinsip laser?

Ngerteni bedane antarane laser semikonduktor umum, serat, cakram, lanLaser YAGuga bisa mbantu entuk pangerten sing luwih apik lan melu diskusi luwih akeh sajrone proses seleksi.

Artikel iki utamane fokus ing ilmu pengetahuan populer: pambuka singkat babagan prinsip pembangkitan laser, struktur utama laser, lan sawetara jinis laser sing umum.

Kapisan, prinsip generasi laser

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

Dasar Teori 1: Model Bohr

Model Bohr utamane nyedhiyakake struktur internal atom, saengga gampang dingerteni kepiye laser kedadeyan. Atom kasusun saka inti lan elektron ing njaba inti, lan orbital elektron ora sembarangan. Elektron mung duwe orbital tartamtu, ing antarane orbital paling njero diarani kahanan dhasar; Yen elektron ana ing kahanan dhasar, energine paling endhek. Yen elektron mlumpat metu saka orbit, diarani kahanan tereksitasi pertama, lan energi saka kahanan tereksitasi pertama bakal luwih dhuwur tinimbang kahanan dhasar; Orbit liyane diarani kahanan tereksitasi kapindho;

Alesané kenapa laser bisa kedadeyan yaiku amarga elektron bakal obah ing orbit sing béda-béda ing model iki. Yèn elektron nyerep energi, elektron bisa mlayu saka kahanan dhasar menyang kahanan tereksitasi; Yèn elektron bali saka kahanan tereksitasi menyang kahanan dhasar, elektron bakal ngeculake energi, sing asring dirilis awujud laser.

Dasar Teori 2: Teori Radiasi Terstimulasi Einstein

Ing taun 1917, Einstein ngusulake teori radiasi sing distimulasi, sing dadi dhasar teori kanggo laser lan produksi laser: panyerepan utawa emisi materi iku sejatine asil saka interaksi antarane medan radiasi lan partikel sing mbentuk materi, lan intine yaiku transisi partikel antarane tingkat energi sing beda. Ana telung proses sing beda ing interaksi antarane cahya lan materi: emisi spontan, emisi sing distimulasi, lan panyerepan sing distimulasi. Kanggo sistem sing ngemot akeh partikel, telung proses iki mesthi ana bebarengan lan raket banget hubungane.

Emisi spontan:

Kaya sing dituduhake ing gambar: elektron ing tingkat energi dhuwur E2 kanthi spontan transisi menyang tingkat energi endhek 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.

Ciri-ciri emisi spontan: Saben foton iku independen, kanthi arah lan fase sing beda-beda, lan wektu kedadeyan uga acak. Iki kalebu cahya sing ora koheren lan kacau, sing dudu cahya sing dibutuhake dening laser. Mulane, proses generasi laser kudu nyuda jinis cahya nyasar iki. Iki uga minangka salah sawijining alesan kenapa dawa gelombang macem-macem laser duwe cahya nyasar. Yen dikontrol kanthi apik, proporsi emisi spontan ing laser bisa diabaikan. Laser sing luwih murni, kayata 1060 nm, kabeh 1060 nm, Jinis laser iki nduweni tingkat lan daya panyerepan sing relatif stabil.

Penyerapan sing dirangsang:

Elektron ing tingkat energi sing endhek (orbital endhek), sawise nyerep foton, transisi menyang tingkat energi sing luwih dhuwur (orbital dhuwur), lan proses iki diarani penyerapan sing distimulasi. Penyerapan sing distimulasi iku penting banget lan salah sawijining proses pemompaan utama. Sumber pompa laser nyedhiyakake energi foton kanggo nyebabake partikel ing medium gain transisi lan ngenteni radiasi sing distimulasi ing tingkat energi sing luwih dhuwur, sing ngetokake laser.

Radiasi sing distimulasi:

Nalika disinari dening cahya energi eksternal (hv=E2-E1), elektron ing tingkat energi dhuwur bakal dieksitasi dening foton eksternal lan mlumpat menyang tingkat energi endhek (orbit dhuwur mlaku menyang orbit endhek). Ing wektu sing padha, elektron kasebut ngetokake foton sing persis padha karo foton eksternal. Proses iki ora nyerep cahya eksitasi asli, mula bakal ana rong foton sing identik, sing bisa dingerteni nalika elektron ngetokake foton sing wis diserep sadurunge. Proses luminesensi iki diarani radiasi terstimulasi, yaiku proses kebalikan saka penyerapan terstimulasi.

Sawise teorine jelas, gampang banget kanggo nggawe laser, kaya sing dituduhake ing gambar ing ndhuwur: ing kahanan normal stabilitas materi, mayoritas elektron ana ing kahanan dasar, elektron ing kahanan dasar, lan laser gumantung marang radiasi sing dirangsang. Mulane, struktur laser yaiku ngidini panyerepan sing dirangsang kedadeyan dhisik, nggawa elektron menyang tingkat energi sing dhuwur, banjur nyedhiyakake eksitasi kanggo nyebabake akeh elektron tingkat energi sing dhuwur ngalami radiasi sing dirangsang, ngeculake foton. Saka iki, laser bisa diasilake. Sabanjure, kita bakal ngenalake struktur laser.

Struktur laser:

Cocokake struktur laser karo kahanan generasi laser sing wis kasebut sadurunge siji-siji:

Kahanan 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 distimulasi (utamane bisa mompa elektron menyang orbital energi dhuwur lan ana sajrone wektu tartamtu, banjur ngeculake foton sajrone siji ambegan liwat radiasi sing distimulasi);

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

3. Ana rongga resonansi sing bisa entuk osilasi laser, nambah dawa kerja materi kerja laser, nyaring mode gelombang cahya, ngontrol arah rambatan sinar, kanthi selektif nggedhekake frekuensi radiasi sing dirangsang kanggo nambah monokromatisitas (njamin laser diasilake kanthi energi tartamtu).

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

Klasifikasi laser: umume diklasifikasikake miturut medium gain utawa miturut wujud energi laser

Klasifikasi medium gain:

Laser karbon dioksidaMedium gain laser karbon dioksida yaiku helium lanLaser CO2,kanthi dawa gelombang laser 10.6um, sing minangka salah sawijining produk laser paling awal sing diluncurake. Pengelasan laser awal utamane adhedhasar laser karbon dioksida, sing saiki utamane digunakake kanggo ngelas lan ngethok bahan non-logam (kain, plastik, kayu, lan liya-liyane). Kajaba iku, uga digunakake ing mesin litografi. Laser karbon dioksida ora bisa ditularake liwat serat optik lan lelungan liwat jalur optik spasial, Tongkuai paling awal ditindakake kanthi relatif apik, lan akeh peralatan ngethok sing digunakake;

Laser YAG (yttrium aluminium garnet): Kristal YAG sing didoping karo ion logam neodymium (Nd) utawa yttrium (Yb) digunakake minangka medium gain laser, kanthi dawa gelombang emisi 1,06um. Laser YAG bisa ngasilake pulsa sing luwih dhuwur, nanging daya rata-rata kurang, lan daya puncak bisa tekan 15 kali daya rata-rata. Yen utamane laser pulsa, output terus-terusan ora bisa digayuh; Nanging bisa ditularake liwat serat optik, lan ing wektu sing padha, tingkat penyerapan bahan logam mundhak, lan wiwit ditrapake ing bahan reflektivitas dhuwur, pisanan ditrapake ing lapangan 3C;

Laser serat: Pasar saiki nggunakake serat sing didoping ytterbium minangka medium gain, kanthi dawa gelombang 1060nm. Iki dipérang manèh dadi laser serat lan cakram adhedhasar wujud medium; Serat optik nggambaraké IPG, déné cakram nggambaraké Tongkuai.

Laser semikonduktor: Medium gain yaiku sambungan PN semikonduktor, lan dawa gelombang laser semikonduktor utamane ana ing 976nm. Saiki, laser inframerah cedhak semikonduktor utamane digunakake kanggo cladding, kanthi titik cahya ing ndhuwur 600um. Laserline minangka perusahaan perwakilan laser semikonduktor.

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

Laser pulsa: nanodetik, pikodetik, femtodetik, laser pulsa frekuensi dhuwur iki (ns, jembar pulsa) asring bisa entuk energi puncak dhuwur, pangolahan frekuensi dhuwur (MHZ), digunakake kanggo ngolah bahan tembaga tipis lan aluminium sing beda, uga kanggo ngresiki. Kanthi nggunakake energi puncak dhuwur, bisa cepet nglelehke bahan dasar, kanthi wektu aksi sing sithik lan zona sing kena pengaruh panas sing cilik. Laser iki nduweni kaluwihan ing pangolahan bahan ultra-tipis (ing ngisor 0,5mm);

Laser kuasi terus-terusan (QCW): Amarga tingkat pengulangan sing dhuwur lan siklus tugas sing kurang (ing ngisor 50%), jembar pulsa sakaLaser QCWtekan 50 us-50 ms, ngisi celah antarane laser serat terus tingkat kilowatt lan laser pulsa Q-switched; Daya puncak laser serat terus kuasi bisa tekan 10 kali daya rata-rata ing operasi mode terus. Laser QCW umume duwe rong mode, siji yaiku pengelasan terus kanthi daya rendah, lan liyane yaiku pengelasan laser pulsa kanthi daya puncak 10 kali daya rata-rata, sing bisa entuk bahan sing luwih kandel lan pengelasan panas sing luwih akeh, nalika uga ngontrol panas ing kisaran sing cilik banget;

Laser Terus-menerus (CW): Iki sing paling umum digunakake, lan umume laser sing katon ing pasar yaiku laser CW sing terus-terusan ngasilake laser kanggo proses pengelasan. Laser serat dipérang dadi laser mode tunggal lan multi-mode miturut diameter inti lan kualitas sinar sing beda-beda, lan bisa diadaptasi kanggo skenario aplikasi sing beda-beda.