Лазерлік генерация принципі

Неліктен лазердің жұмыс принципін білуіміз керек?

Жалпы жартылай өткізгіш лазерлердің, талшықтардың, дискілердің және т.б. арасындағы айырмашылықтарды білуYAG лазерісонымен қатар іріктеу процесінде жақсырақ түсінуге және көбірек талқылауларға қатысуға көмектеседі.

Мақала негізінен танымал ғылымға бағытталған: лазерлік генерация принципіне қысқаша кіріспе, лазерлердің негізгі құрылымы және лазерлердің бірнеше кең таралған түрлері.

Біріншіден, лазерлік генерация принципі

Лазер жарық пен материяның өзара әрекеттесуі арқылы пайда болады, бұл ынталандырылған сәулеленуді күшейту деп аталады; ынталандырылған сәулеленуді күшейтуді түсіну үшін Эйнштейннің өздігінен шығарылу, ынталандырылған жұтылу және ынталандырылған сәулелену туралы тұжырымдамаларын, сондай-ақ кейбір қажетті теориялық негіздерді түсіну қажет.

Теориялық негіз 1: Бор моделі

Бор моделі негізінен атомдардың ішкі құрылымын береді, бұл лазерлердің қалай пайда болатынын түсінуді жеңілдетеді. Атом ядродан және ядродан тыс электрондардан тұрады, ал электрондардың орбитальдары кездейсоқ емес. Электрондардың тек белгілі бір орбитальдары болады, олардың ішіндегі ең ішкі орбиталь негізгі күй деп аталады; Егер электрон негізгі күйде болса, оның энергиясы ең төмен болады. Егер электрон орбитадан секіріп шықса, ол бірінші қозған күй деп аталады, ал бірінші қозған күйдің энергиясы негізгі күйден жоғары болады; Тағы бір орбиталь екінші қозған күй деп аталады;

Лазердің пайда болу себебі - бұл модельде электрондар әртүрлі орбиталарда қозғалады. Егер электрондар энергияны сіңірсе, олар негізгі күйден қозған күйге өте алады; егер электрон қозған күйден негізгі күйге оралса, ол энергияны бөліп шығарады, ол көбінесе лазер түрінде шығарылады.

Теориялық негіз 2: Эйнштейннің ынталандырылған сәулелену теориясы

1917 жылы Эйнштейн лазерлер мен лазер өндірісінің теориялық негізі болып табылатын ынталандырылған сәулелену теориясын ұсынды: заттың жұтылуы немесе шығарылуы негізінен сәулелену өрісі мен затты құрайтын бөлшектердің өзара әрекеттесуінің нәтижесі болып табылады, ал оның негізгі мәні бөлшектердің әртүрлі энергия деңгейлері арасында ауысуы болып табылады. Жарық пен заттың өзара әрекеттесуінде үш түрлі процесс бар: өздігінен сәулелену, ынталандырылған сәулелену және ынталандырылған жұтылу. Көптеген бөлшектерден тұратын жүйе үшін бұл үш процесс әрқашан бірге өмір сүреді және тығыз байланысты.

Өздігінен пайда болатын сәулелену:

Суретте көрсетілгендей: жоғары энергиялы E2 деңгейіндегі электрон өздігінен төмен энергиялы E1 деңгейіне ауысады және hv энергиясы бар фотон шығарады, және hv=E2-E1; Бұл өздігінен және байланыссыз өтпелі процесс өздігінен өтпелі деп аталады, ал өздігінен өтпелі кезеңдерден шығарылатын жарық толқындары өздігінен сәулелену деп аталады.

Өздігінен сәулеленудің сипаттамалары: Әрбір фотон тәуелсіз, әртүрлі бағыттары мен фазалары бар, және пайда болу уақыты да кездейсоқ. Ол лазерге қажет емес когерентті және хаотикалық жарыққа жатады. Сондықтан лазерді генерациялау процесінде бұл типтегі адасқан жарықты азайту қажет. Бұл сондай-ақ әртүрлі лазерлердің толқын ұзындығында адасқан жарықтың болуының себептерінің бірі. Егер жақсы басқарылса, лазердегі өздігінен сәулеленудің үлесін ескермеуге болады. Лазер неғұрлым таза болса, мысалы, 1060 нм, ол барлығы 1060 нм болады. Бұл типтегі лазердің сіңіру жылдамдығы мен қуаты салыстырмалы түрде тұрақты.

Ынталандырылған сіңіру:

Төмен энергия деңгейлеріндегі (төмен орбитальдар) электрондар фотондарды жұтқаннан кейін жоғары энергия деңгейлеріне (жоғары орбитальдар) ауысады және бұл процесс стимуляцияланған жұтылу деп аталады. Стимуляцияланған жұтылу өте маңызды және негізгі айдау процестерінің бірі. Лазердің сорғы көзі күшейту ортасындағы бөлшектердің ауысуын тудыру және жоғары энергия деңгейлерінде стимуляцияланған сәулеленуді күту үшін фотон энергиясын береді, бұл лазер сәулесін шығарады.

Ынталандырылған сәулелену:

Сыртқы энергия жарығымен (hv=E2-E1) сәулелендірілген кезде, жоғары энергия деңгейіндегі электрон сыртқы фотонмен қоздырылып, төмен энергия деңгейіне секіреді (жоғары орбита төменгі орбитаға өтеді). Сонымен қатар, ол сыртқы фотонмен бірдей фотон шығарады. Бұл процесс бастапқы қоздыру жарығын сіңірмейді, сондықтан екі бірдей фотон болады, оны электрон бұрын сіңірілген фотонды шығарады деп түсінуге болады. Бұл люминесценция процесі стимуляцияланған сәулелену деп аталады, бұл стимуляцияланған жұтудың кері процесі.

Теория түсінікті болғаннан кейін, жоғарыдағы суретте көрсетілгендей, лазерді құрастыру өте қарапайым: материалдық тұрақтылықтың қалыпты жағдайында электрондардың басым көпшілігі негізгі күйде, электрондар негізгі күйде болады, ал лазер ынталандырылған сәулеленуге тәуелді. Сондықтан, лазердің құрылымы алдымен ынталандырылған жұтылудың орын алуына мүмкіндік беру, электрондарды жоғары энергия деңгейіне жеткізу, содан кейін көптеген жоғары энергия деңгейіндегі электрондардың ынталандырылған сәулеленуге ұшырауын тудыратын қозуды қамтамасыз ету, фотондарды шығару. Осыдан лазерді жасауға болады. Әрі қарай, біз лазер құрылымын таныстырамыз.

Лазер құрылымы:

Лазер құрылымын бұрын айтылған лазер генерациясы шарттарымен бір-бірлеп сәйкестендіріңіз:

Пайда болу жағдайы және тиісті құрылым:

1. Лазерлік жұмыс ортасы ретінде күшейту әсерін қамтамасыз ететін күшейту ортасы бар, және оның белсендірілген бөлшектері стимуляцияланған сәулеленуді генерациялауға жарамды энергия деңгейінің құрылымына ие (негізінен электрондарды жоғары энергиялы орбитальдарға айдап, белгілі бір уақыт аралығында өмір сүре алады, содан кейін стимуляцияланған сәулелену арқылы бір тыныс алуда фотондарды шығара алады);

2. YAG лазерлеріндегі ксенон шамы сияқты, электрондарды төменгі деңгейден жоғарғы деңгейге айдайтын сыртқы қоздыру көзі (сорғы көзі) бар, бұл лазердің жоғарғы және төменгі деңгейлері арасында бөлшектер санының инверсиясын тудырады (яғни, жоғары энергиялы бөлшектер төмен энергиялы бөлшектерге қарағанда көп болған кезде);

3. Лазерлік тербеліске қол жеткізе алатын, лазерлік жұмыс материалының жұмыс ұзындығын арттыратын, жарық толқынының режимін экрандайтын, сәуленің таралу бағытын басқаратын, монохроматикалықты жақсарту үшін ынталандырылған сәулелену жиілігін таңдамалы түрде күшейтетін (лазердің белгілі бір энергияда шығарылуын қамтамасыз ететін) резонанстық қуыс бар.

Сәйкес құрылым жоғарыдағы суретте көрсетілген, ол YAG лазерінің қарапайым құрылымы. Басқа құрылымдар күрделірек болуы мүмкін, бірақ негізгісі мынада. Лазерді генерациялау процесі суретте көрсетілген:

Лазердің жіктелуі: әдетте күшейту ортасы немесе лазер энергиясының түрі бойынша жіктеледі

Орташа жіктелуді күшейту:

Көмірқышқыл газы лазеріКөмірқышқыл газы лазерінің күшейту ортасы гелий жәнеCO2 лазері,лазерлік толқын ұзындығы 10,6 мкм, бұл ең алғашқы лазерлік өнімдердің бірі. Алғашқы лазерлік дәнекерлеу негізінен көмірқышқыл газы лазеріне негізделген, ол қазіргі уақытта негізінен металл емес материалдарды (маталар, пластмассалар, ағаш және т.б.) дәнекерлеу және кесу үшін қолданылады. Сонымен қатар, ол литография машиналарында да қолданылады. Көмірқышқыл газы лазері оптикалық талшықтар арқылы берілмейді және кеңістіктік оптикалық жолдар арқылы өтеді, алғашқы Тонгкуай салыстырмалы түрде жақсы жасалған және көптеген кесу жабдықтары қолданылған;

YAG (иттрий алюминий гранаты) лазері: лазердің күшейту ортасы ретінде неодим (Nd) немесе иттрий (Yb) металл иондарымен легирленген YAG кристалдары қолданылады, олардың сәулелену толқын ұзындығы 1,06 мкм. YAG лазері жоғары импульстарды шығара алады, бірақ орташа қуат төмен, ал шың қуаты орташа қуаттан 15 есеге жетуі мүмкін. Егер ол негізінен импульстік лазер болса, үздіксіз шығысқа қол жеткізу мүмкін емес; бірақ оны оптикалық талшықтар арқылы беруге болады, сонымен бірге металл материалдардың сіңіру жылдамдығы артады және ол алғаш рет 3C өрісінде қолданылған жоғары шағылыстырғыш материалдарда қолданыла бастайды;

Талшықты лазер: Нарықтағы қазіргі негізгі ағым күшейткіш орта ретінде иттербиймен легирленген талшықты пайдаланады, оның толқын ұзындығы 1060 нм. Ол ортаның пішініне байланысты талшықты және дискілі лазерлерге бөлінеді; талшықты-оптикалық лазер IPG-ні, ал дискі Тонгкуайды білдіреді.

Жартылай өткізгіш лазер: күшейту ортасы - жартылай өткізгіш PN түйіні, ал жартылай өткізгіш лазердің толқын ұзындығы негізінен 976 нм. Қазіргі уақытта жартылай өткізгіш жақын инфрақызыл лазерлер негізінен 600 мкм-нан асатын жарық дақтары бар қаптау үшін қолданылады. Laserline - жартылай өткізгіш лазерлердің өкілі.

Энергия әсерінің түрі бойынша жіктеледі: импульстік лазер (PULSE), квазиүздіксіз лазер (QCW), үздіксіз лазер (CW)

Импульстік лазер: наносекунд, пикосекунд, фемтосекунд, бұл жоғары жиілікті импульстік лазер (нс, импульс ені) көбінесе жоғары шыңдық энергияға, жоғары жиілікті (МГц) өңдеуге қол жеткізе алады, жұқа мыс және алюминий сияқты әртүрлі материалдарды өңдеу үшін, сондай-ақ негізінен тазалау үшін қолданылады. Жоғары шыңдық энергияны пайдалану арқылы ол негізгі материалды тез ерітіп, аз әсер ету уақытымен және аз жылу әсер ету аймағымен қамтамасыз ете алады. Оның ультра жұқа материалдарды (0,5 мм-ден төмен) өңдеудегі артықшылықтары бар;

Квази үздіксіз лазер (QCW): қайталау жиілігінің жоғарылығына және жұмыс циклінің төмендігіне (50%-дан төмен) байланысты импульс еніQCW лазерікиловатт деңгейлі үздіксіз талшықты лазер мен Q-коммутациялы импульсті лазер арасындағы алшақтықты толтырып, 50 мкс-50 мс жетеді; квази үздіксіз талшықты лазердің ең жоғары қуаты үздіксіз режимде жұмыс істеген кезде орташа қуаттың 10 есесіне жетуі мүмкін. QCW лазерлері әдетте екі режимге ие, біреуі төмен қуатта үздіксіз дәнекерлеу, ал екіншісі орташа қуаттан 10 есе жоғары шың қуаты бар импульсті лазерлік дәнекерлеу, бұл қалың материалдарды және көбірек жылумен дәнекерлеуге қол жеткізуге мүмкіндік береді, сонымен қатар жылуды өте аз диапазонда басқарады;

Үздіксіз лазер (ҮЛЛ): Бұл ең көп қолданылатын лазер, және нарықта кездесетін лазерлердің көпшілігі дәнекерлеу өңдеуі үшін үздіксіз лазер шығаратын ҮЛЛЛ лазерлері. Талшықты лазерлер әртүрлі өзек диаметрлері мен сәулелік қасиеттеріне сәйкес бір режимді және көп режимді лазерлерге бөлінеді және оларды әртүрлі қолдану жағдайларына бейімдеуге болады.