Неліктен бізге лазердің принципін білу керек?
Жалпы жартылай өткізгіш лазерлердің, талшықтардың, дискілердің және арасындағы айырмашылықтарды білуYAG лазерітаңдау барысында жақсырақ түсінуге және көбірек талқылауға қатысуға көмектесе алады.
Мақалада негізінен ғылыми-көпшілікке бағытталған: лазерлік генерация принципіне қысқаша кіріспе, лазерлердің негізгі құрылымы және лазерлердің бірнеше кең таралған түрлері.
Біріншіден, лазерлік генерация принципі
Лазер жарық пен заттың өзара әрекеттесуі арқылы жасалады, ынталандырылған сәулеленуді күшейту деп аталады; Ынталандырылған сәулеленуді күшейтуді түсіну үшін Эйнштейннің өздігінен сәуле шығару, ынталандырылған сіңіру және ынталандырылған сәулелену тұжырымдамаларын, сондай-ақ кейбір қажетті теориялық негіздерді түсіну қажет.
1-теориялық негіз: Бор моделі
Бор моделі негізінен атомдардың ішкі құрылымын қамтамасыз етеді, бұл лазерлердің қалай пайда болуын түсінуді жеңілдетеді. Атом ядродан және ядродан тыс электрондардан тұрады және электрондардың орбитальдары ерікті емес. Электрондарда тек белгілі бір орбитальдар болады, олардың ішінде ең ішкі орбиталь негізгі күй деп аталады; Егер электрон негізгі күйде болса, оның энергиясы ең аз болады. Егер электрон орбитадан секірсе, оны бірінші қозған күй деп атайды және бірінші қозған күйдің энергиясы негізгі күйден жоғары болады; Басқа орбита екінші қозған күй деп аталады;
Лазердің пайда болуының себебі - бұл модельде электрондар әртүрлі орбиталарда қозғалады. Егер электрондар энергияны жұтса, олар негізгі күйден қозған күйге ауыса алады; Егер электрон қозған күйден негізгі күйге оралса, ол энергияны шығарады, ол көбінесе лазер түрінде шығарылады.
2-теориялық негіз: Эйнштейннің ынталандырылған сәулелену теориясы
1917 жылы Эйнштейн лазерлер мен лазерлерді өндірудің теориялық негізі болып табылатын ынталандырылған сәулелену теориясын ұсынды: заттың жұтылуы немесе сәулеленуі негізінен сәулелену өрісі мен затты құрайтын бөлшектердің және оның ядросының өзара әрекеттесуінің нәтижесі болып табылады. мәні бөлшектердің әртүрлі энергетикалық деңгейлер арасында ауысуы. Жарық пен заттың өзара әрекеттесуінде үш түрлі процесс бар: өздігінен сәуле шығару, ынталандырылған сәуле шығару және ынталандырылған сіңіру. Құрамында бөлшектердің көп саны бар жүйе үшін бұл үш процесс әрқашан қатар жүреді және бір-бірімен тығыз байланысты.
Спонтанды эмиссия:
Суретте көрсетілгендей: жоғары энергиялық E2 деңгейіндегі электрон өздігінен төмен энергиялық E1 деңгейіне ауысады және hv энергиясы бар фотонды шығарады және hv=E2-E1; Бұл өздігінен және бір-бірімен байланыссыз өту процесі өздігінен өту деп аталады, ал өздігінен өтулер арқылы шығарылатын жарық толқындары өздігінен сәулелену деп аталады.
Спонтанды сәулеленудің сипаттамалары: Әрбір фотон тәуелсіз, әр түрлі бағыттар мен фазалары бар және пайда болу уақыты да кездейсоқ. Ол лазерге қажетті жарық емес, когерентсіз және хаотикалық жарыққа жатады. Сондықтан лазерлік генерация процесі осы түрдегі адасқан жарықты азайтуды қажет етеді. Бұл сонымен қатар әртүрлі лазерлердің толқын ұзындығының адасқан жарыққа ие болуының себептерінің бірі. Жақсы басқарылатын болса, лазердегі өздігінен шығарылатын сәулелену үлесін елемеуге болады. Лазер неғұрлым таза болса, мысалы, 1060 нм, оның барлығы 1060 нм, лазердің бұл түрі салыстырмалы түрде тұрақты сіңіру жылдамдығы мен қуатына ие.
Стимулданған сіңіру:
Төмен энергия деңгейлеріндегі электрондар (төмен орбитальдар), фотондарды жұтқаннан кейін жоғары энергетикалық деңгейлерге (жоғары орбитальдар) ауысады және бұл процесс ынталандырылған абсорбция деп аталады. Ынталандырылған сіңіру шешуші және негізгі сорғы процестерінің бірі болып табылады. Лазердің сорғы көзі күшейту ортасындағы бөлшектердің ауысуын және лазерді шығаратын жоғары энергия деңгейлерінде ынталандырылған сәулеленуді күту үшін фотон энергиясын қамтамасыз етеді.
Стимулданған сәулелену:
Сыртқы энергияның жарығымен (hv=E2-E1) сәулеленгенде жоғары энергетикалық деңгейдегі электрон сыртқы фотонмен қозып, төмен энергетикалық деңгейге секіреді (жоғары орбита төменгі орбитаға өтеді). Сонымен бірге ол сыртқы фотонмен бірдей фотонды шығарады. Бұл процесс бастапқы қоздыру жарығын жұтпайды, сондықтан екі бірдей фотон болады, оны электронның бұрын жұтылған фотонды түкіру деп түсінуге болады. Бұл люминесценция процесі ынталандырылған сәулелену деп аталады, бұл ынталандырылған жұтылудың кері процесі.
Теория түсінікті болғаннан кейін, жоғарыдағы суретте көрсетілгендей, лазерді құру өте қарапайым: материалдық тұрақтылықтың қалыпты жағдайында электрондардың басым көпшілігі негізгі күйде, электрондар негізгі күйде, ал лазер ынталандырылған сәулелену. Сондықтан лазердің құрылымы алдымен электрондарды жоғары энергетикалық деңгейге әкелетін ынталандырылған абсорбцияның пайда болуына мүмкіндік береді, содан кейін қозуды қамтамасыз етеді, содан кейін жоғары энергия деңгейіндегі электрондардың ынталандырылған сәулеленуге ұшырауы, фотондарды босатады. лазерді жасауға болады. Әрі қарай, біз лазер құрылымымен таныстырамыз.
Лазер құрылымы:
Лазер құрылымын жоғарыда айтылған лазер генерациясының шарттарымен бір-бірлеп сәйкестендіріңіз:
Пайда болу жағдайы және сәйкес құрылымы:
1. Лазерлік жұмыс ортасы ретінде күшейту әсерін қамтамасыз ететін күшейту ортасы бар және оның белсендірілген бөлшектері ынталандырылған сәулеленуді генерациялауға жарамды энергия деңгейінің құрылымына ие (негізінен электрондарды жоғары энергиялы орбитальдарға айдауға қабілетті және белгілі бір уақыт аралығында өмір сүреді). , содан кейін ынталандырылған сәуле арқылы фотондарды бір деммен босатыңыз);
2. Лазердің жоғарғы және төменгі деңгейлері арасында бөлшектер санының инверсиясын тудыратын электрондарды төменгі деңгейден жоғарғы деңгейге айдай алатын сыртқы қоздыру көзі (сорғы көзі) бар (яғни, жоғары энергия бөлшектері төмен энергиялы бөлшектер), мысалы, YAG лазерлеріндегі ксенон шамы;
3. Лазердің тербелісіне қол жеткізе алатын, лазерлік жұмыс материалының жұмыс ұзындығын арттыратын, жарық толқынының режимін экрандайтын, сәуленің таралу бағытын басқаратын, монохроматтылықты жақсарту үшін ынталандырылған сәулелену жиілігін таңдамалы түрде күшейтетін резонансты қуыс бар. лазер белгілі бір энергиямен шығарылады).
Сәйкес құрылым жоғарыдағы суретте көрсетілген, ол YAG лазерінің қарапайым құрылымы. Басқа құрылымдар күрделірек болуы мүмкін, бірақ өзегі осы. Лазерді генерациялау процесі суретте көрсетілген:
Лазерлік классификация: әдетте күшейту ортасы немесе лазерлік энергия түрі бойынша жіктеледі
Табыстың орташа жіктелуі:
Көмірқышқылды лазер: Көмірқышқылды лазердің күшейту ортасы гелий жәнеCO2 лазері,лазерлік толқын ұзындығы 10,6 м, бұл ең ерте шығарылатын лазерлік өнімдердің бірі. Ерте лазерлік дәнекерлеу негізінен көміртегі диоксиді лазеріне негізделген, ол қазіргі уақытта негізінен металл емес материалдарды (маталар, пластмассалар, ағаш және т.б.) дәнекерлеу және кесу үшін қолданылады. Сонымен қатар, ол литографиялық машиналарда да қолданылады. Көміртегі диоксиді лазері оптикалық талшықтар арқылы берілмейді және кеңістіктік оптикалық жолдар арқылы жүреді, Ең ерте Tongkuai салыстырмалы түрде жақсы жасалды және көптеген кесу жабдықтары қолданылды;
YAG (иттрий алюминий гранатасы) лазері: неодимий (Nd) немесе иттрий (Yb) металл иондары қосылған YAG кристалдары лазерлік күшейту ортасы ретінде пайдаланылады, толқын ұзындығы 1,06um. YAG лазері жоғары импульстарды шығара алады, бірақ орташа қуат төмен, ал ең жоғары қуат орташа қуаттан 15 есеге жетуі мүмкін. Егер ол негізінен импульстік лазер болса, үздіксіз шығуға қол жеткізу мүмкін емес; Бірақ ол оптикалық талшықтар арқылы берілуі мүмкін, сонымен бірге металл материалдардың сіңіру жылдамдығы артады және ол 3С өрісінде бірінші рет қолданылатын жоғары шағылыстырушы материалдарда қолданыла бастады;
Талшықты лазер: нарықтағы қазіргі негізгі ағым 1060 нм толқын ұзындығы бар итербий қоспасы бар талшықты күшейту ортасы ретінде пайдаланады. Одан әрі ортаның пішіні бойынша талшықты және дискілі лазерлерге бөлінеді; Оптикалық талшық IPG, ал диск Тонгкуайды білдіреді.
Жартылай өткізгішті лазер: күшейту ортасы жартылай өткізгіш PN түйісуі болып табылады және жартылай өткізгіш лазердің толқын ұзындығы негізінен 976 нм. Қазіргі уақытта жартылай өткізгішті жақын инфрақызыл лазерлер негізінен 600 м-ден жоғары жарық нүктелерімен қаптау үшін қолданылады. Laserline - жартылай өткізгіш лазерлердің өкілді кәсіпорны.
Энергетикалық әсер ету формасы бойынша жіктеледі: импульстік лазер (PULSE), квази үздіксіз лазер (QCW), үздіксіз лазер (CW)
Импульстік лазер: наносекунд, пикосекунд, фемтосекунд, бұл жоғары жиілікті импульстік лазер (нс, импульстік ені) жиі жоғары шыңдық энергияға, жоғары жиілікті (MHZ) өңдеуге қол жеткізе алады, жұқа мыс пен алюминийді бір-біріне ұқсамайтын материалдарды өңдеу үшін қолданылады, сонымен қатар көбінесе тазалау үшін қолданылады. . Жоғары шыңдық энергияны пайдалану арқылы ол негізгі материалды тез ерітеді, әрекет ету уақыты аз және жылу әсер ететін аймақ аз. Ол өте жұқа материалдарды өңдеуде артықшылықтарға ие (0,5 мм-ден төмен);
Квази үздіксіз лазер (QCW): Жоғары қайталану жылдамдығына және төмен жұмыс цикліне байланысты (50%-дан төмен), импульстік еніQCW лазерікиловатт деңгейіндегі үздіксіз талшықты лазер мен Q-қосқыш импульстік лазер арасындағы алшақтықты толтыра отырып, 50 us-50 мс жетеді; Квази үздіксіз талшықты лазердің ең жоғары қуаты үздіксіз режимде жұмыс істегенде орташа қуаттан 10 есе жоғары болуы мүмкін. QCW лазерлерінің әдетте екі режимі бар, біреуі төмен қуатта үздіксіз дәнекерлеу, ал екіншісі - орташа қуаттан 10 есе жоғары максималды қуаты бар импульстік лазерлік дәнекерлеу, ол қалың материалдарға және көбірек жылумен дәнекерлеуге қол жеткізе алады, сонымен бірге жылуды басқарады. өте аз диапазон;
Үздіксіз лазер (CW): Бұл ең жиі қолданылатын және нарықта кездесетін лазерлердің көпшілігі дәнекерлеуді өңдеу үшін үздіксіз лазер шығаратын CW лазерлері. Талшықты лазерлер ядроның әртүрлі диаметрлері мен сәулелік сапасына сәйкес бір режимді және көп режимді лазерлерге бөлінеді және әртүрлі қолдану сценарийлеріне бейімделуі мүмкін.
Жіберу уақыты: 20 желтоқсан 2023 ж
