Principe van lasergeneratie

Waarom moeten we het principe van lasers kennen?

De verschillen kennen tussen gewone halfgeleiderlasers, vezels, schijven enYAG-laserkan ook helpen om een ​​beter begrip te krijgen en meer discussies aan te gaan tijdens het selectieproces.

Het artikel richt zich voornamelijk op de populaire wetenschap: een korte introductie tot het principe van lasergeneratie, de hoofdstructuur van lasers en verschillende veel voorkomende typen lasers.

Ten eerste het principe van lasergeneratie

Laser wordt gegenereerd door de interactie tussen licht en materie, bekend als gestimuleerde stralingsversterking; Om de versterking van gestimuleerde straling te begrijpen, is het nodig om Einsteins concepten van spontane emissie, gestimuleerde absorptie en gestimuleerde straling te begrijpen, evenals enkele noodzakelijke theoretische grondslagen.

Theoretische basis 1: Bohr-model

Het Bohr-model geeft voornamelijk de interne structuur van atomen weer, waardoor het gemakkelijk te begrijpen is hoe lasers ontstaan. Een atoom bestaat uit een kern en elektronen buiten de kern, en de orbitalen van elektronen zijn niet willekeurig. Elektronen hebben slechts bepaalde orbitalen, waarvan de binnenste orbitaal de grondtoestand wordt genoemd; Als een elektron zich in de grondtoestand bevindt, is zijn energie het laagst. Als een elektron uit een baan springt, wordt dit de eerste aangeslagen toestand genoemd, en de energie van de eerste aangeslagen toestand zal hoger zijn dan die van de grondtoestand; Een andere baan wordt de tweede aangeslagen toestand genoemd;

De reden waarom laser kan optreden is omdat elektronen in dit model in verschillende banen zullen bewegen. Als elektronen energie absorberen, kunnen ze van de grondtoestand naar de aangeslagen toestand lopen; Als een elektron terugkeert van de aangeslagen toestand naar de grondtoestand, komt er energie vrij, die vaak vrijkomt in de vorm van een laser.

Theoretische basis 2: Einsteins gestimuleerde stralingstheorie

In 1917 stelde Einstein de theorie van gestimuleerde straling voor, die de theoretische basis vormt voor lasers en laserproductie: de absorptie of emissie van materie is in wezen het resultaat van de interactie tussen het stralingsveld en de deeltjes waaruit materie bestaat, en de kern ervan. essentie is de overgang van deeltjes tussen verschillende energieniveaus. Er zijn drie verschillende processen in de interactie tussen licht en materie: spontane emissie, gestimuleerde emissie en gestimuleerde absorptie. Voor een systeem dat een groot aantal deeltjes bevat, bestaan ​​deze drie processen altijd naast elkaar en zijn ze nauw verwant.

Spontane emissie:

Zoals weergegeven in de figuur: gaat een elektron op het hoge energieniveau E2 spontaan over naar het lage energieniveau E1 en zendt een foton uit met een energie van hv, en hv=E2-E1; Dit spontane en niet-gerelateerde transitieproces wordt spontane transitie genoemd, en de lichtgolven die door spontane transities worden uitgezonden worden spontane straling genoemd.

De kenmerken van spontane emissie: elk foton is onafhankelijk, met verschillende richtingen en fasen, en de tijd van optreden is ook willekeurig. Het behoort tot onsamenhangend en chaotisch licht, dat niet het licht is dat de laser nodig heeft. Daarom moet het lasergeneratieproces dit soort strooilicht verminderen. Dit is ook een van de redenen waarom de golflengte van verschillende lasers strooilicht bevat. Als het goed wordt gecontroleerd, kan het aandeel van de spontane emissie in de laser worden genegeerd. Hoe zuiverder de laser, zoals 1060 nm, het is allemaal 1060 nm. Dit type laser heeft een relatief stabiele absorptiesnelheid en vermogen.

Gestimuleerde absorptie:

Elektronen met een laag energieniveau (lage orbitalen) gaan na het absorberen van fotonen over naar hogere energieniveaus (hoge orbitalen), en dit proces wordt gestimuleerde absorptie genoemd. Gestimuleerde absorptie is cruciaal en een van de belangrijkste pompprocessen. De pompbron van de laser levert fotonenenergie om deeltjes in het versterkingsmedium te laten overgaan en te wachten op gestimuleerde straling op hogere energieniveaus, waardoor de laser wordt uitgezonden.

Gestimuleerde straling:

Wanneer bestraald door het licht van externe energie (hv=E2-E1), wordt het elektron op het hoge energieniveau opgewonden door het externe foton en springt naar het lage energieniveau (de hoge baan loopt naar de lage baan). Tegelijkertijd zendt het een foton uit dat precies hetzelfde is als het externe foton. Dit proces absorbeert het oorspronkelijke excitatielicht niet, dus er zullen twee identieke fotonen zijn, wat kan worden begrepen als het elektron het eerder geabsorbeerde foton uitspuugt. Dit luminescentieproces wordt gestimuleerde straling genoemd, wat het omgekeerde proces is van gestimuleerde absorptie.

Nadat de theorie duidelijk is, is het heel eenvoudig om een ​​laser te bouwen, zoals weergegeven in de bovenstaande figuur: onder normale omstandigheden van materiaalstabiliteit bevindt de overgrote meerderheid van de elektronen zich in de grondtoestand, de elektronen in de grondtoestand, en is de laser afhankelijk van gestimuleerde straling. Daarom is de structuur van de laser bedoeld om eerst gestimuleerde absorptie mogelijk te maken, waardoor elektronen naar het hoge energieniveau worden gebracht en vervolgens een excitatie wordt geleverd om ervoor te zorgen dat een groot aantal elektronen met een hoog energieniveau gestimuleerde straling ondergaan, waardoor fotonen vrijkomen. laser kan worden gegenereerd. Vervolgens introduceren we de laserstructuur.

Laserstructuur:

Zorg ervoor dat de laserstructuur één voor één overeenkomt met de eerder genoemde lasergeneratievoorwaarden:

Toestand van voorkomen en bijbehorende structuur:

1. Er is een versterkingsmedium dat een versterkingseffect biedt als het laserwerkmedium, en de geactiveerde deeltjes ervan hebben een energieniveaustructuur die geschikt is voor het genereren van gestimuleerde straling (voornamelijk in staat om elektronen naar hoogenergetische orbitalen te pompen en bestaan ​​gedurende een bepaalde periode , en laat vervolgens in één adem fotonen vrij via gestimuleerde straling);

2. Er is een externe excitatiebron (pompbron) die elektronen van het lagere niveau naar het hogere niveau kan pompen, waardoor het aantal deeltjes wordt omgekeerd tussen het bovenste en het lagere niveau van de laser (dwz wanneer er meer deeltjes met hoge energie zijn dan energiezuinige deeltjes), zoals de xenonlamp in YAG-lasers;

3. Er is een resonantieholte die laseroscillatie kan bereiken, de werklengte van het laserwerkmateriaal kan vergroten, de lichtgolfmodus kan screenen, de voortplantingsrichting van de straal kan regelen, de gestimuleerde stralingsfrequentie selectief kan versterken om de monochromaticiteit te verbeteren (waarvoor wordt gezorgd dat de laser wordt uitgevoerd met een bepaalde energie).

De overeenkomstige structuur wordt weergegeven in de bovenstaande figuur, die een eenvoudige structuur is van een YAG-laser. Andere structuren kunnen complexer zijn, maar de kern is dit. Het lasergeneratieproces wordt weergegeven in de figuur:

Laserclassificatie: doorgaans geclassificeerd op basis van versterkingsmedium of op basis van laserenergie

Verkrijg gemiddelde classificatie:

Kooldioxidelaser: Het versterkingsmedium van de koolstofdioxidelaser is helium enCO2-laser,met een lasergolflengte van 10,6um, een van de eerste laserproducten die op de markt is gebracht. Het vroege laserlassen was voornamelijk gebaseerd op een kooldioxidelaser, die momenteel vooral wordt gebruikt voor het lassen en snijden van niet-metalen materialen (stoffen, kunststoffen, hout, enz.). Daarnaast wordt het ook gebruikt op lithografiemachines. Kooldioxidelaser kan niet door optische vezels worden verzonden en reist door ruimtelijke optische paden. De vroegste Tongkuai werd relatief goed gedaan en er werd veel snijapparatuur gebruikt;

YAG (yttrium aluminium granaat) laser: YAG-kristallen gedoteerd met neodymium (Nd) of yttrium (Yb) metaalionen worden gebruikt als laserversterkingsmedium, met een emissiegolflengte van 1,06um. De YAG-laser kan hogere pulsen uitvoeren, maar het gemiddelde vermogen is laag en het piekvermogen kan 15 keer het gemiddelde vermogen bereiken. Als het voornamelijk een pulslaser is, kan er geen continue output worden bereikt; Maar het kan door optische vezels worden doorgegeven, en tegelijkertijd neemt de absorptiesnelheid van metalen materialen toe, en het begint te worden toegepast in materialen met een hoog reflecterend vermogen, voor het eerst toegepast in het 3C-veld;

Vezellaser: De huidige mainstream op de markt gebruikt ytterbium-gedoteerde vezels als versterkingsmedium, met een golflengte van 1060 nm. Het is verder onderverdeeld in vezel- en schijflasers op basis van de vorm van het medium; Glasvezel vertegenwoordigt IPG, terwijl schijf Tongkuai vertegenwoordigt.

Halfgeleiderlaser: Het versterkingsmedium is een halfgeleider-PN-overgang en de golflengte van de halfgeleiderlaser bedraagt ​​hoofdzakelijk 976 nm. Momenteel worden halfgeleider nabij-infraroodlasers voornamelijk gebruikt voor bekleding, met lichtvlekken boven 600um. Laserline is een representatieve onderneming op het gebied van halfgeleiderlasers.

Ingedeeld op basis van de vorm van energieactie: Pulslaser (PULSE), quasi continue laser (QCW), continue laser (CW)

Pulslaser: nanoseconde, picoseconde, femtoseconde, deze hoogfrequente pulslaser (ns, pulsbreedte) kan vaak hoge piekenergie, hoogfrequente (MHZ) verwerking bereiken, gebruikt voor het verwerken van dunne koper- en aluminium-ongelijksoortige materialen, en vooral voor reiniging . Door gebruik te maken van hoge piekenergie kan het basismateriaal snel smelten, met een korte actietijd en een kleine door hitte beïnvloede zone. Het heeft voordelen bij het verwerken van ultradunne materialen (minder dan 0,5 mm);

Quasi continue laser (QCW): vanwege de hoge herhalingsfrequentie en de lage inschakelduur (minder dan 50%) wordt de pulsbreedte vanQCW-laserbereikt 50 us-50 ms, waarmee de kloof wordt opgevuld tussen continue fiberlaser op kilowattniveau en Q-switched-pulslaser; Het piekvermogen van een quasi continue fiberlaser kan 10 keer het gemiddelde vermogen bereiken bij continu gebruik. QCW-lasers hebben over het algemeen twee modi: de ene is continu lassen met een laag vermogen en de andere is gepulseerd laserlassen met een piekvermogen van 10 keer het gemiddelde vermogen, waardoor dikkere materialen en meer hittelassen kunnen worden bereikt, terwijl ook de hitte binnen een mum van tijd wordt geregeld. zeer klein bereik;

Continue laser (CW): Dit is de meest gebruikte laser, en de meeste lasers die op de markt te vinden zijn, zijn CW-lasers die continu een laser uitvoeren voor lasbewerking. Vezellasers zijn onderverdeeld in single-mode en multi-mode lasers op basis van verschillende kerndiameters en straalkwaliteiten, en kunnen worden aangepast aan verschillende toepassingsscenario's.