Principio da xeración láser

Por que precisamos coñecer o principio dos láseres?

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

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

En primeiro lugar, o principio da xeración láser

O láser xérase mediante a interacción entre a luz e a materia, coñecida como amplificación da radiación estimulada; para comprender a amplificación da radiación estimulada é necesario comprender os conceptos de Einstein de emisión espontánea, absorción estimulada e radiación estimulada, 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 se producen os láseres. Un átomo está composto dun núcleo e electróns fóra do núcleo, e os orbitais dos electróns non son arbitrarios. Os electróns só teñen certos orbitais, entre os cales 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, chámase 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 producirse un láser é porque neste modelo os electróns móvense en órbitas diferentes. Se os electróns absorben enerxía, poden pasar do estado fundamental ao estado excitado; se un electrón regresa do estado excitado ao estado fundamental, liberará enerxía, que a miúdo 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 dos láseres e da produción de láseres: a absorción ou emisión de materia é esencialmente o resultado da interacción entre o campo de radiación e as partículas que compoñen a materia, e a súa esencia central é a transición das partículas entre diferentes niveis de enerxía. Existen 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 fai unha transición espontánea 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 de luz emitidas por transicións espontáneas chámanse radiación espontánea.

As características da emisión espontánea: cada fotón é independente, con diferentes direccións e fases, 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 do láser necesita reducir este tipo de luz dispersa. Esta é tamén unha das razóns polas que a lonxitude de onda de varios láseres ten luz dispersa. Se se controla ben, pódese ignorar a proporción de emisión espontánea no láser. Canto máis puro sexa o láser, como 1060 nm, todo é 1060 nm. Este tipo de láser ten unha taxa de absorción e potencia relativamente estables.

Absorción estimulada:

Os electróns a niveis de enerxía baixos (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 fotónica para facer que as partículas no medio de ganancia fagan a transición e agarden 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 alto é excitado polo fotón externo e salta ao nivel de enerxía baixo (a órbita alta corre cara á órbita baixa). Ao mesmo tempo, emite un fotón que é exactamente igual ao fotón externo. Este proceso non absorbe a luz de excitación orixinal, polo que haberá dous fotóns idénticos, o que se pode entender como que o electrón expulsa o fotón previamente absorbido. Este proceso de luminescencia chámase radiación estimulada, que é o proceso inverso da absorción estimulada.

Unha vez clara a teoría, 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, e o láser depende da radiación estimulada. Polo tanto, a estrutura do láser é permitir que se produza primeiro a absorción estimulada, levando os electróns ao nivel de enerxía alto e, a continuación, proporcionando unha excitación para facer que un gran número de electróns de alto nivel de enerxía sometanse a radiación estimulada, liberando fotóns. A partir disto, pódese xerar un láser. A continuación, presentaremos a estrutura do láser.

Estrutura láser:

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

Condición de ocorrencia e estrutura correspondente:

1. Existe 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 axeitada para xerar radiación estimulada (principalmente capaz de bombear electróns a orbitais de alta enerxía e existir durante un certo período de tempo, e despois liberar fotóns nunha soa respiración a través da radiación estimulada);

2. Existe unha fonte de excitación externa (fonte de bombeo) que pode bombear electróns desde o nivel inferior ao 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 de baixa enerxía), como a lámpada de xenón nos 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, filtrar 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 se emita 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 do láser móstrase na figura:

Clasificación dos láseres: xeralmente clasificados por medio de ganancia ou por forma de enerxía láser

Clasificación do medio de ganancia:

Láser de dióxido de carbonoO medio de ganancia do láser de dióxido de carbono é o helio eláser de CO2,cunha lonxitude de onda láser de 10,6 µm, que é un dos primeiros produtos láser que se lanzaron ao mercado. A soldadura láser inicial baseábase principalmente no láser de dióxido de carbono, que actualmente se usa principalmente para soldar e cortar materiais non metálicos (tecidos, plásticos, madeira, etc.). Ademais, tamén se usa en máquinas de litografía. O láser de dióxido de carbono non se pode transmitir a través de fibras ópticas e viaxa a través de traxectorias ópticas espaciais. O primeiro Tongkuai facíase relativamente ben e utilizábase unha gran cantidade de equipos de corte;

Láser YAG (granate de aluminio e itrio): como medio de ganancia do láser utilízanse cristais YAG dopados con ións metálicos de neodimio (Nd) ou itrio (Yb), cunha lonxitude de onda de emisión de 1,06 µm. 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 se trata principalmente dun láser de pulsos, 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 por primeira vez no campo 3C;

Láser de fibra: A corrente dominante no mercado emprega fibra dopada con iterbio como medio de ganancia, cunha lonxitude de onda de 1060 nm. Divídese á súa vez en láseres de fibra e de disco segundo a forma do medio; a fibra óptica representa o IPG, mentres que o disco representa o Tongkuai.

Láser semicondutor: o medio de ganancia é unha unión PN semicondutora e a lonxitude de onda do láser semicondutor é principalmente de 976 nm. Actualmente, os láseres semicondutores de infravermello próximo úsanse principalmente para o revestimento, con puntos de luz por riba dos 600 µm. Laserline é unha empresa representativa de láseres semicondutores.

Clasificados pola forma de acción enerxética: láser de pulso (PULSE), láser cuasicontinuo (QCW), láser continuo (CW)

Láser de pulso: nanosegundos, picosegundos, femtosegundos. Este láser de pulso de alta frecuencia (ns, ancho de pulso) pode acadar a miúdo unha enerxía de pico elevada e un procesamento de alta frecuencia (MHZ). Utilízase para procesar materiais finos diferentes de cobre e aluminio, así como para a limpeza principalmente. Ao usar unha enerxía de pico elevada, pode fundir rapidamente o material base, cun tempo de acción baixo e unha zona afectada pola calor pequena. 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 (inferior ao 50 %), o ancho de pulso deláser QCWalcanza os 50 µs-50 ms, enchendo o oco entre o láser de fibra continua de nivel de quilovatios e o láser de pulso conmutado por Q; A potencia máxima dun láser de fibra cuasi continuo pode alcanzar 10 veces a potencia media en modo de funcionamento continuo. Os láseres QCW xeralmente teñen dous modos, un é a soldadura continua a baixa potencia e o outro é a soldadura láser pulsada cunha potencia máxima de 10 veces a potencia media, que pode lograr materiais máis grosos e máis soldadura por calor, ao mesmo tempo que controla a calor dentro dun rango moi pequeno;

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