Principio de xeración de láser

Por que necesitamos coñecer o principio dos láseres?

Coñecer as diferenzas entre láseres, fibras, discos e semicondutores comúnsLáser YAGtamén pode axudar a obter unha mellor comprensión e participar en máis discusións durante o proceso de selección.

O artigo céntrase principalmente na ciencia popular: unha breve introdución ao principio da xeración de láser, a estrutura principal dos láseres e varios tipos comúns de láseres.

En primeiro lugar, o principio de xeración de láser

O láser xérase mediante a interacción entre a luz e a materia, coñecida como amplificación de radiación estimulada; Comprender a amplificación da radiación estimulada require comprender os conceptos de emisión espontánea, absorción estimulada e radiación estimulada de Einstein, así como algúns fundamentos teóricos necesarios.

Base teórica 1: Modelo de Bohr

O modelo de Bohr proporciona principalmente a estrutura interna dos átomos, o que facilita a comprensión de como ocorren os láseres. Un átomo está composto por un núcleo e electróns fóra do núcleo, e os orbitais dos electróns non son arbitrarios. Os electróns só teñen certos orbitais, entre os que o orbital máis interno chámase estado fundamental; Se un electrón está no estado fundamental, a súa enerxía é a máis baixa. Se un electrón salta dunha órbita, denomínase primeiro estado excitado, e a enerxía do primeiro estado excitado será maior que a do estado fundamental; Outra órbita chámase segundo estado excitado;

A razón pola que pode ocorrer o láser é porque os electróns moveranse en órbitas diferentes neste modelo. Se os electróns absorben enerxía, poden correr desde o estado fundamental ata o estado excitado; Se un electrón volve do estado excitado ao estado fundamental, liberará enerxía, que moitas veces se libera en forma de láser.

Base teórica 2: Teoría da radiación estimulada de Einstein

En 1917, Einstein propuxo a teoría da radiación estimulada, que é a base teórica para os láseres e a produción de láser: a absorción ou emisión de materia é esencialmente o resultado da interacción entre o campo de radiación e as partículas que forman a materia, e o seu núcleo. a esencia é a transición de partículas entre diferentes niveis de enerxía. Hai tres procesos diferentes na interacción entre a luz e a materia: emisión espontánea, emisión estimulada e absorción estimulada. Para un sistema que contén un gran número de partículas, estes tres procesos sempre coexisten e están estreitamente relacionados.

Emisión espontánea:

Como se mostra na figura: un electrón no nivel de alta enerxía E2 pasa espontaneamente ao nivel de baixa enerxía E1 e emite un fotón cunha enerxía de hv, e hv=E2-E1; Este proceso de transición espontáneo e non relacionado chámase transición espontánea, e as ondas luminosas emitidas por transicións espontáneas chámanse radiación espontánea.

As características da emisión espontánea: Cada fotón é independente, con direccións e fases diferentes, e o tempo de aparición tamén é aleatorio. Pertence á luz incoherente e caótica, que non é a luz que require o láser. Polo tanto, o proceso de xeración de láser debe reducir este tipo de luz perdida. Esta é tamén unha das razóns polas que a lonxitude de onda de varios láseres ten luz perdida. Se se controla ben, a proporción de emisión espontánea no láser pode ignorarse. Canto máis puro sexa o láser, como 1060 nm, todo é de 1060 nm, Este tipo de láser ten unha taxa de absorción e potencia relativamente estables.

Absorción estimulada:

Os electróns en niveis baixos de enerxía (orbitais baixos), despois de absorber fotóns, pasan a niveis de enerxía máis altos (orbitais altos), e este proceso chámase absorción estimulada. A absorción estimulada é crucial e un dos procesos clave de bombeo. A fonte de bombeo do láser proporciona enerxía fotón para facer que as partículas do medio de ganancia fagan transición e agarde a radiación estimulada a niveis de enerxía máis altos, emitindo o láser.

Radiación estimulada:

Cando é irradiado pola luz de enerxía externa (hv=E2-E1), o electrón no nivel de enerxía alta é excitado polo fotón externo e salta ao nivel de enerxía baixa (a órbita alta corre cara á órbita baixa). Ao mesmo tempo, emite un fotón que é exactamente o mesmo que o fotón externo. Este proceso non absorbe a luz de excitación orixinal, polo que haberá dous fotóns idénticos, que se poden entender como o electrón cuspir o fotón absorbido previamente. Este proceso de luminiscencia chámase radiación estimulada, que é o proceso inverso de absorción estimulada.

Despois de que a teoría estea clara, é moi sinxelo construír un láser, como se mostra na figura anterior: en condicións normais de estabilidade do material, a gran maioría dos electróns están no estado fundamental, os electróns no estado fundamental e o láser depende de radiación estimulada. Polo tanto, a estrutura do láser é permitir que se produza primeiro a absorción estimulada, levando os electróns ao alto nivel de enerxía e, a continuación, proporcionando unha excitación para provocar que un gran número de electróns de alto nivel de enerxía sufran radiación estimulada, liberando fotóns. pódese xerar láser. A continuación, presentaremos a estrutura do láser.

Estrutura do láser:

Relaciona a estrutura do láser coas condicións de xeración de láser mencionadas anteriormente unha por unha:

Condición de aparición e estrutura correspondente:

1. Hai un medio de ganancia que proporciona un efecto de amplificación como medio de traballo do láser, e as súas partículas activadas teñen unha estrutura de nivel de enerxía adecuada para xerar radiación estimulada (principalmente capaz de bombear electróns a orbitais de alta enerxía e existir durante un determinado período de tempo). , e despois liberan fotóns nunha respiración a través da radiación estimulada);

2. Hai unha fonte de excitación externa (fonte de bombeo) que pode bombear electróns desde o nivel inferior ata o nivel superior, provocando a inversión do número de partículas entre os niveis superior e inferior do láser (é dicir, cando hai máis partículas de alta enerxía que partículas de baixa enerxía), como a lámpada de xenón dos láseres YAG;

3. Hai unha cavidade resonante que pode lograr a oscilación do láser, aumentar a lonxitude de traballo do material de traballo do láser, pantalla o modo de onda de luz, controlar a dirección de propagación do feixe, amplificar selectivamente a frecuencia de radiación estimulada para mellorar a monocromaticidade (garantindo que o láser é emitido a unha determinada enerxía).

A estrutura correspondente móstrase na figura anterior, que é unha estrutura simple dun láser YAG. Outras estruturas poden ser máis complexas, pero o núcleo é este. O proceso de xeración de láser móstrase na figura:

Clasificación do láser: xeralmente clasificado polo medio de ganancia ou pola forma de enerxía do láser

Obtén clasificación media:

Láser de dióxido de carbono: O medio de ganancia do láser de dióxido de carbono é o helio eláser de CO2,cunha lonxitude de onda láser de 10,6 um, que é un dos primeiros produtos láser que se lanzaron. A primeira soldadura con láser baseábase principalmente no láser de dióxido de carbono, que na actualidade se utiliza principalmente para soldar e cortar materiais non metálicos (tecidos, plásticos, madeira, etc.). Ademais, tamén se utiliza en máquinas de litografía. O láser de dióxido de carbono non se pode transmitir a través de fibras ópticas e viaxa a través de camiños ópticos espaciais. O Tongkuai máis antigo fíxose relativamente ben e utilizouse moitos equipos de corte;

Láser YAG (granate de aluminio de itrio): utilízanse cristais YAG dopados con ións metálicos de neodimio (Nd) ou itrio (Yb) como medio de ganancia do láser, cunha lonxitude de onda de emisión de 1,06 um. O láser YAG pode emitir pulsos máis altos, pero a potencia media é baixa e a potencia máxima pode alcanzar 15 veces a potencia media. Se é principalmente un láser de pulso, non se pode conseguir unha saída continua; Pero pódese transmitir a través de fibras ópticas e, ao mesmo tempo, aumenta a taxa de absorción dos materiais metálicos e comeza a aplicarse en materiais de alta reflectividade, aplicado primeiro no campo 3C;

Láser de fibra: a corrente principal no mercado utiliza fibra dopada con iterbio como medio de ganancia, cunha lonxitude de onda de 1060 nm. Divídese ademais en láseres de fibra e disco en función da forma do medio; A fibra óptica representa IPG, mentres que o disco representa a Tongkuai.

Láser de semicondutores: o medio de ganancia é unha unión PN de semicondutores e a lonxitude de onda do láser de semicondutores é principalmente de 976 nm. Actualmente, os láseres de infravermellos próximos semicondutores utilízanse principalmente para o revestimento, con puntos de luz por riba de 600um. Laserline é unha empresa representativa de láseres semicondutores.

Clasificada pola forma de acción de enerxía: láser de pulso (PULSE), láser cuasi continuo (QCW), láser continuo (CW)

Láser de pulso: nanosegundo, picosegundo, femtosegundo, este láser de pulso de alta frecuencia (ns, ancho de pulso) adoita acadar un procesamento de alta frecuencia de alta enerxía, de alta frecuencia (MHZ), usado para procesar materiais diferentes de cobre fino e aluminio, así como para limpar principalmente . Ao usar unha enerxía de pico alta, pode derreter rapidamente o material base, cun tempo de acción baixo e unha pequena zona afectada pola calor. Ten vantaxes no procesamento de materiais ultrafinos (por debaixo de 0,5 mm);

Láser cuasi continuo (QCW): debido á alta taxa de repetición e ao baixo ciclo de traballo (por debaixo do 50%), o ancho de pulso deLáser QCWalcanza os 50 us-50 ms, enchendo o oco entre o láser de fibra continua a nivel de quilovatios e o láser de pulso Q-switched; A potencia máxima dun láser de fibra case continuo pode alcanzar 10 veces a potencia media en modo continuo. Os láseres QCW xeralmente teñen dous modos, un é a soldadura continua a baixa potencia e o outro é a soldadura con láser pulsado cunha potencia máxima de 10 veces a potencia media, o que pode conseguir materiais máis grosos e máis soldadura térmica, ao tempo que controla a calor dentro dun rango moi pequeno;

Láser continuo (CW): Este é o máis usado, e a maioría dos láseres que se ven no mercado son láseres CW que emiten continuamente láser para o procesamento de soldadura. Os láseres de fibra divídense en láseres monomodo e multimodo segundo os diferentes diámetros do núcleo e calidades de feixe e pódense adaptar a diferentes escenarios de aplicación.