Principe van lasergeneratie

Waarom moeten we het principe van lasers kennen?

Het is belangrijk de verschillen te kennen tussen gangbare halfgeleiderlasers, vezels, schijven enYAG-laserDit kan ook helpen om een ​​beter begrip te krijgen en meer discussies te voeren tijdens het selectieproces.

Het artikel richt zich voornamelijk op populairwetenschappelijke onderwerpen: een korte inleiding tot het principe van laseropwekking, de hoofdstructuur van lasers en een aantal veelvoorkomende lasertypen.

Ten eerste, het principe van lasergeneratie.

Laserlicht ontstaat door de interactie tussen licht en materie, een proces dat bekend staat als gestimuleerde stralingsversterking. Om gestimuleerde stralingsversterking te begrijpen, is het nodig om Einsteins concepten van spontane emissie, gestimuleerde absorptie en gestimuleerde straling te kennen, evenals enkele noodzakelijke theoretische grondslagen.

Theoretische basis 1: Bohr-model

Het Bohr-model beschrijft voornamelijk de interne structuur van atomen, waardoor het gemakkelijker 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 de grondtoestand wordt genoemd; als een elektron zich in de grondtoestand bevindt, is zijn energie het laagst. Als een elektron uit een orbitaal springt, wordt dit de eerste aangeslagen toestand genoemd, en de energie van de eerste aangeslagen toestand is hoger dan die van de grondtoestand; een andere orbitaal wordt de tweede aangeslagen toestand genoemd.

De reden waarom laserlicht kan ontstaan, is dat elektronen in dit model in verschillende banen bewegen. Als elektronen energie absorberen, kunnen ze van de grondtoestand naar de aangeslagen toestand gaan. Wanneer een elektron vanuit de aangeslagen toestand terugkeert naar de grondtoestand, geeft het energie af, die vaak vrijkomt in de vorm van laserlicht.

Theoretische basis 2: Einsteins theorie van gestimuleerde straling

In 1917 formuleerde Einstein de theorie van gestimuleerde straling, de theoretische basis voor lasers en laserproductie: de absorptie of emissie van materie is in essentie het resultaat van de interactie tussen het stralingsveld en de deeltjes waaruit materie bestaat, en de kern ervan 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 met een groot aantal deeltjes bestaan ​​deze drie processen altijd naast elkaar en zijn ze nauw met elkaar verbonden.

Spontane emissie:

Zoals in de afbeelding te zien is: een elektron op het hoge-energieniveau E2 maakt een spontane overgang naar het lage-energieniveau E1 en zendt daarbij een foton uit met een energie van hv, waarbij hv = E2 - E1. Dit spontane en onafhankelijke overgangsproces wordt spontane overgang genoemd, en de lichtgolven die door spontane overgangen worden uitgezonden, worden spontane straling genoemd.

De kenmerken van spontane emissie: Elk foton is onafhankelijk, met verschillende richtingen en fasen, en het tijdstip van optreden is ook willekeurig. Het behoort tot incoherent en chaotisch licht, wat niet het type licht is dat een laser nodig heeft. Daarom moet het lasergeneratieproces dit type strooilicht verminderen. Dit is ook een van de redenen waarom verschillende lasers strooilicht vertonen. Bij goede controle kan het aandeel spontane emissie in de laser worden verwaarloosd. Hoe zuiverder de laser, zoals een 1060 nm laser, hoe meer strooilicht er is. Dit type laser heeft een relatief stabiele absorptiesnelheid en vermogen.

Gestimuleerde absorptie:

Elektronen op lage energieniveaus (lage orbitalen) ondergaan na absorptie van fotonen een transitie naar hogere energieniveaus (hoge orbitalen). Dit proces wordt gestimuleerde absorptie genoemd. Gestimuleerde absorptie is cruciaal en een van de belangrijkste pompprocessen. De pompbron van de laser levert fotonenenergie die ervoor zorgt dat de deeltjes in het versterkingsmedium een ​​transitie ondergaan en wachten op gestimuleerde straling op hogere energieniveaus, waardoor de laser wordt uitgezonden.

Gestimuleerde straling:

Wanneer een elektron wordt bestraald met licht van externe energie (hv=E2-E1), wordt het elektron op een hoog energieniveau aangeslagen door het externe foton en springt het naar een laag energieniveau (het elektron springt van de hoge baan naar de lage baan). Tegelijkertijd zendt het een foton uit dat exact hetzelfde is als het externe foton. Dit proces absorbeert het oorspronkelijke excitatielicht niet, waardoor er twee identieke fotonen ontstaan. Dit kan worden opgevat als het elektron dat het eerder geabsorbeerde foton weer uitstoot. Dit luminescentieproces wordt gestimuleerde straling genoemd en is het omgekeerde proces van gestimuleerde absorptie.

Nadat de theorie duidelijk is, is het heel eenvoudig om een ​​laser te bouwen, zoals in de bovenstaande afbeelding te zien is: onder normale omstandigheden van materiaalstabiliteit bevindt de overgrote meerderheid van de elektronen zich in de grondtoestand. Elektronen in de grondtoestand en een laser werken op basis van gestimuleerde straling. De structuur van de laser is daarom zo ontworpen dat eerst gestimuleerde absorptie plaatsvindt, waardoor elektronen naar een hoger energieniveau worden gebracht. Vervolgens wordt een excitatie toegepast om een ​​groot aantal elektronen in het hogere energieniveau te stimuleren tot gestimuleerde straling, waarbij fotonen vrijkomen. Op deze manier kan een laser worden gegenereerd. Hierna zullen we de laserstructuur toelichten.

Laserstructuur:

Stem de laserstructuur één voor één af op de eerder genoemde laseropwekkingscondities:

Voorwaarde van voorkomen en bijbehorende structuur:

1. Er is een versterkingsmedium dat een versterkend effect biedt als 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 daar gedurende een bepaalde tijd te blijven, en vervolgens in één keer fotonen vrij te geven door middel van gestimuleerde straling);

2. Er is een externe excitatiebron (pompbron) die elektronen van het lagere naar het hogere energieniveau kan pompen, waardoor er een omkering van het aantal deeltjes tussen het hogere en lagere energieniveau van de laser optreedt (d.w.z. wanneer er meer hoogenergetische deeltjes zijn dan laagenergetische deeltjes), zoals de xenonlamp in YAG-lasers;

3. Er is een resonantieholte die laseroscillatie mogelijk maakt, de werkingslengte van het laserwerkmateriaal vergroot, de lichtgolfmodus afschermt, de voortplantingsrichting van de straal regelt en de gestimuleerde stralingsfrequentie selectief versterkt om de monochromaticiteit te verbeteren (waardoor de laser met een bepaalde energie wordt uitgezonden).

De bijbehorende structuur is weergegeven in de bovenstaande afbeelding; dit is een eenvoudige structuur van een YAG-laser. Andere structuren kunnen complexer zijn, maar de kern is deze. Het lasergeneratieproces wordt in de afbeelding weergegeven:

Laserclassificatie: over het algemeen geclassificeerd op basis van het versterkingsmedium of de vorm van laserenergie.

Gemiddelde winstclassificatie:

KoolstofdioxidelaserHet versterkingsmedium van een koolstofdioxidelaser is helium.CO2-laser,Met een laser golflengte van 10,6 µm was dit een van de eerste laserproducten die op de markt kwamen. Het vroege laserlassen was voornamelijk gebaseerd op koolstofdioxidelasers, die tegenwoordig vooral worden gebruikt voor het lassen en snijden van niet-metalen materialen (textiel, kunststoffen, hout, enz.). Daarnaast wordt het ook gebruikt in lithografiemachines. Koolstofdioxidelasers kunnen niet door optische vezels worden geleid en reizen via ruimtelijke optische paden. De eerste Tongkuai-lasers presteerden relatief goed en er werd veel snijapparatuur voor gebruikt.

YAG-laser (yttriumaluminiumgranaat): YAG-kristallen gedoteerd met neodymium (Nd) of yttrium (Yb) metaalionen worden gebruikt als laserversterkingsmedium, met een emissiegolflengte van 1,06 µm. De YAG-laser kan pulsen met een hogere intensiteit produceren, maar het gemiddelde vermogen is laag en het piekvermogen kan 15 keer het gemiddelde vermogen bereiken. Als het voornamelijk een pulslaser is, is continue output niet mogelijk. De laser kan echter wel door optische vezels worden geleid en tegelijkertijd neemt de absorptie van metalen materialen toe. Hierdoor wordt de laser steeds vaker toegepast in materialen met een hoge reflectiviteit, met name in de 3C-sector.

Vezellasers: De huidige gangbare markt maakt gebruik van met ytterbium gedoteerde vezels als versterkingsmedium, met een golflengte van 1060 nm. Op basis van de vorm van het medium wordt er onderscheid gemaakt tussen vezellasers en schijflasers; vezellasers worden aangeduid met IPG (Integrated Fiber Grating), terwijl schijflasers worden aangeduid met Tongkuai (Tongkuai).

Halfgeleiderlaser: Het versterkingsmedium is een halfgeleider-PN-junctie en de golflengte van de halfgeleiderlaser ligt hoofdzakelijk rond de 976 nm. Momenteel worden halfgeleider-nabij-infraroodlasers voornamelijk gebruikt voor bekledingstoepassingen, met lichtvlekken groter dan 600 µm. Laserline is een representatief bedrijf op het gebied van halfgeleiderlasers.

Ingedeeld op basis van de vorm van energie-werking: pulslaser (PULSE), quasi-continue laser (QCW), continue laser (CW)

Pulslaser: nanoseconde, picoseconde, femtoseconde. Deze hoogfrequente pulslaser (ns, pulsbreedte) kan vaak een hoge piekenergie en hoge frequentie (MHz) bereiken. Hij wordt voornamelijk gebruikt voor het bewerken van dunne materialen van koper en aluminium, en voor reiniging. Door de hoge piekenergie kan het basismateriaal snel smelten, met een korte bewerkingstijd en een kleine warmtebeïnvloede zone. Dit heeft voordelen bij het bewerken van ultradunne materialen (minder dan 0,5 mm).

Quasi-continue laser (QCW): Door de hoge herhalingsfrequentie en de lage duty cycle (minder dan 50%) is de pulsbreedte vanQCW-laserDe laser bereikt een tijdsbestek van 50 µs tot 50 ms, waarmee de kloof tussen continue vezellasers op kilowattniveau en Q-geschakelde pulslasers wordt overbrugd. Het piekvermogen van een quasi-continue vezellaser kan in de continue modus tien keer het gemiddelde vermogen bereiken. QCW-lasers hebben over het algemeen twee modi: continu lassen met een laag vermogen en gepulseerd laserlassen met een piekvermogen van tien keer het gemiddelde vermogen. Met gepulseerd lassen kunnen dikkere materialen en hogere temperaturen worden gelast, terwijl de warmte binnen een zeer klein bereik blijft.

Continue laser (CW): Dit is het meest gebruikte type laser, en de meeste lasers op de markt zijn CW-lasers die continu laserlicht produceren voor lasprocessen. Fiberlasers worden onderverdeeld in single-mode en multi-mode lasers, afhankelijk van de verschillende kerndiameters en straalkwaliteiten, en kunnen worden aangepast aan verschillende toepassingsscenario's.