Lazer Generasiyası Prinsipi

Lazerlərin iş prinsipini niyə bilməliyik?

Ümumi yarımkeçirici lazerlər, liflər, disklər və digərləri arasındakı fərqləri bilməkYAG lazeriseçim prosesi zamanı daha yaxşı anlaşma əldə etməyə və daha çox müzakirələrdə iştirak etməyə kömək edə bilər.

Məqalə əsasən populyar elmə yönəlib: lazer generasiyası prinsipinə qısa giriş, lazerlərin əsas quruluşu və bir neçə ümumi lazer növü.

Birincisi, lazer generasiyası prinsipi

Lazer, işıq və maddə arasındakı qarşılıqlı təsir yolu ilə yaranır ki, bu da stimullaşdırılmış şüalanma gücləndirilməsi adlanır; Stimullaşdırılmış şüalanma gücləndirilməsini anlamaq üçün Eynşteynin spontan emissiya, stimullaşdırılmış udma və stimullaşdırılmış şüalanma anlayışlarını, eləcə də bəzi zəruri nəzəri əsasları anlamaq lazımdır.

Nəzəri Əsas 1: Bor Modeli

Bor modeli əsasən atomların daxili quruluşunu təmin edir və lazerlərin necə baş verdiyini anlamağı asanlaşdırır. Atom nüvədən və nüvə xaricindəki elektronlardan ibarətdir və elektronların orbitalları ixtiyari deyil. Elektronların yalnız müəyyən orbitalları var, bunlardan ən daxili orbital əsas vəziyyət adlanır; Əgər elektron əsas vəziyyətdədirsə, onun enerjisi ən aşağıdır. Əgər elektron orbitdən tullanırsa, o, birinci həyəcanlanmış vəziyyət adlanır və birinci həyəcanlanmış vəziyyətin enerjisi əsas vəziyyətdən daha yüksək olacaq; Başqa bir orbit ikinci həyəcanlanmış vəziyyət adlanır;

Lazerin baş verməsinin səbəbi, bu modeldə elektronların fərqli orbitlərdə hərəkət etməsidir. Elektronlar enerjini udarsa, əsas vəziyyətdən həyəcanlanmış vəziyyətə keçə bilərlər; Əgər elektron həyəcanlanmış vəziyyətdən əsas vəziyyətə qayıdarsa, enerji buraxacaq və bu enerji çox vaxt lazer şəklində buraxılır.

Nəzəri Əsas 2: Eynşteynin Stimullaşdırılmış Radiasiya Nəzəriyyəsi

1917-ci ildə Eynşteyn lazerlər və lazer istehsalı üçün nəzəri əsas olan stimullaşdırılmış şüalanma nəzəriyyəsini irəli sürdü: maddənin udulması və ya emissiyası əsasən şüalanma sahəsi ilə maddəni təşkil edən hissəciklər arasındakı qarşılıqlı təsirin nəticəsidir və onun əsas mahiyyəti hissəciklərin müxtəlif enerji səviyyələri arasında keçididir. İşıq və maddə arasındakı qarşılıqlı təsirdə üç fərqli proses mövcuddur: spontan emissiya, stimullaşdırılmış emissiya və stimullaşdırılmış udma. Çox sayda hissəcik ehtiva edən bir sistem üçün bu üç proses həmişə birlikdə mövcuddur və bir-biri ilə sıx bağlıdır.

Spontan emissiya:

Şəkildə göstərildiyi kimi: yüksək enerjili E2 səviyyəsindəki elektron kortəbii olaraq aşağı enerjili E1 səviyyəsinə keçir və hv enerjisinə malik bir foton yayır və hv=E2-E1; Bu kortəbii və əlaqəsiz keçid prosesi kortəbii keçid, kortəbii keçidlərdən yayılan işıq dalğaları isə kortəbii şüalanma adlanır.

Spontan emissiyanın xüsusiyyətləri: Hər bir foton müstəqildir, fərqli istiqamətlərə və fazalara malikdir və baş vermə vaxtı da təsadüfi olur. Bu, lazer tərəfindən tələb olunan işıq olmayan qeyri-koherent və xaotik işığa aiddir. Buna görə də, lazer generasiya prosesi bu tip kənar işığı azaltmalıdır. Bu da müxtəlif lazerlərin dalğa uzunluğunda kənar işığın olmasının səbəblərindən biridir. Yaxşı idarə olunarsa, lazerdəki kortəbii emissiyanın nisbəti nəzərə alınmaya bilər. 1060 nm kimi lazer nə qədər təmizdirsə, hamısı 1060 nm-dir. Bu tip lazer nisbətən sabit udma sürətinə və gücünə malikdir.

Stimullaşdırılmış udma:

Aşağı enerji səviyyələrində (aşağı orbitallar) olan elektronlar fotonları udduqdan sonra daha yüksək enerji səviyyələrinə (yüksək orbitallar) keçir və bu proses stimullaşdırılmış udma adlanır. Stimullaşdırılmış udma çox vacibdir və əsas nasos proseslərindən biridir. Lazerin nasos mənbəyi, qazanc mühitindəki hissəciklərin keçid etməsinə və daha yüksək enerji səviyyələrində stimullaşdırılmış şüalanmanı gözləməsinə səbəb olmaq üçün foton enerjisi təmin edir və lazer şüası yayır.

Stimullaşdırılmış şüalanma:

Xarici enerjinin işığı (hv=E2-E1) ilə şüalandırıldıqda, yüksək enerji səviyyəsindəki elektron xarici foton tərəfindən həyəcanlanır və aşağı enerji səviyyəsinə tullanır (yüksək orbit aşağı orbitə doğru uzanır). Eyni zamanda, xarici fotonla tam eyni olan bir foton yayır. Bu proses orijinal həyəcan işığını udmur, buna görə də iki eyni foton olacaq ki, bu da elektronun əvvəllər udulmuş fotonu püskürtməsi kimi başa düşülə bilər. Bu lüminesans prosesi stimullaşdırılmış şüalanma adlanır ki, bu da stimullaşdırılmış udmanın tərs prosesidir.

Nəzəriyyə aydın olduqdan sonra, yuxarıdakı şəkildə göstərildiyi kimi, lazer qurmaq çox sadədir: normal maddi sabitlik şəraitində elektronların böyük əksəriyyəti əsas vəziyyətdə, elektronlar əsas vəziyyətdədir və lazer stimullaşdırılmış şüalanmadan asılıdır. Buna görə də, lazerin quruluşu əvvəlcə stimullaşdırılmış udmanın baş verməsinə imkan vermək, elektronları yüksək enerji səviyyəsinə çatdırmaq və sonra çox sayda yüksək enerji səviyyəli elektronun stimullaşdırılmış şüalanmaya məruz qalmasına səbəb olmaq üçün bir həyəcan təmin etmək və fotonları buraxmaqdır. Bundan lazer yaratmaq olar. Daha sonra lazerin quruluşunu təqdim edəcəyik.

Lazer quruluşu:

Lazer quruluşunu əvvəllər qeyd olunan lazer generasiya şərtləri ilə bir-bir uyğunlaşdırın:

Baş vermə vəziyyəti və müvafiq struktur:

1. Lazer işçi mühiti kimi gücləndirmə effekti təmin edən qazanc mühiti mövcuddur və onun aktivləşdirilmiş hissəcikləri stimullaşdırılmış şüalanma yaratmaq üçün uyğun enerji səviyyəli quruluşa malikdir (əsasən elektronları yüksək enerjili orbitallara pompalamaq və müəyyən bir müddət mövcud olmaq, sonra isə stimullaşdırılmış şüalanma vasitəsilə bir nəfəsdə fotonları buraxmaq qabiliyyətinə malikdir);

2. YAG lazerlərindəki ksenon lampası kimi, elektronları aşağı səviyyədən yuxarı səviyyəyə pompalayan və lazerin yuxarı və aşağı səviyyələri arasında hissəcik sayının inversiyasına səbəb olan (yəni, aşağı enerjili hissəciklərdən daha çox yüksək enerjili hissəciklər olduqda) xarici həyəcan mənbəyi (nasos mənbəyi) mövcuddur;

3. Lazer salınımına nail ola bilən, lazer işləyən materialın iş uzunluğunu artıra bilən, işıq dalğası rejimini ekranlaşdıra bilən, şüanın yayılma istiqamətini idarə edə bilən, monoxromatikliyi artırmaq üçün stimullaşdırılmış şüalanma tezliyini seçici şəkildə gücləndirə bilən (lazerin müəyyən bir enerjidə çıxışını təmin edən) rezonans boşluğu var.

Müvafiq struktur yuxarıdakı şəkildə göstərilib və bu, YAG lazerinin sadə bir quruluşudur. Digər strukturlar daha mürəkkəb ola bilər, amma əsas məsələ budur. Lazer generasiya prosesi şəkildə göstərilib:

Lazer təsnifatı: ümumiyyətlə qazanc mühitinə və ya lazer enerjisi formasına görə təsnif edilir

Qazanc orta təsnifatı:

Karbon dioksid lazeriKarbon qazı lazerinin gücləndirici mühiti heliumdur vəCO2 lazeri,10.6 um lazer dalğa uzunluğuna malikdir ki, bu da ilk lazer məhsullarından biridir. İlk lazer qaynağı əsasən karbon qazı lazerinə əsaslanırdı ki, bu da hazırda əsasən qeyri-metal materialların (parçalar, plastiklər, ağac və s.) qaynaqlanması və kəsilməsi üçün istifadə olunur. Bundan əlavə, litoqrafiya maşınlarında da istifadə olunur. Karbon qazı lazeri optik liflərdən ötürülə bilmir və fəza optik yollarından keçir. Ən erkən Tongkuai nisbətən yaxşı hazırlanmışdı və çoxlu kəsici avadanlıqdan istifadə edilmişdir;

YAG (ittrium alüminium qranat) lazeri: Neodim (Nd) və ya ittrium (Yb) metal ionları ilə aşqarlanmış YAG kristalları lazer qazandırma mühiti kimi istifadə olunur və emissiya dalğa uzunluğu 1,06 umdur. YAG lazeri daha yüksək impulslar çıxara bilər, lakin orta güc aşağıdır və pik gücü orta gücdən 15 dəfə çox ola bilər. Əsasən impuls lazeridirsə, davamlı çıxış əldə edilə bilməz; Lakin optik liflər vasitəsilə ötürülə bilər və eyni zamanda metal materialların udma sürəti artır və ilk dəfə 3C sahəsində tətbiq olunan yüksək əks etdirmə materiallarında tətbiq olunmağa başlayır;

Lifli lazer: Bazarda mövcud əsas axın, gücləndirici vasitə kimi 1060 nm dalğa uzunluğuna malik ytterbiumla zənginləşdirilmiş lifdən istifadə edir. Mühitin formasına görə lifli və diskli lazerlərə bölünür; Lifli optik IPG-ni, disk isə Tonqkuayı təmsil edir.

Yarımkeçirici lazer: Qazanc mühiti yarımkeçirici PN qovşağıdır və yarımkeçirici lazerin dalğa uzunluğu əsasən 976 nm-dir. Hal-hazırda, yarımkeçirici yaxın infraqırmızı lazerlər əsasən 600 um-dan yuxarı işıq ləkələri olan örtük üçün istifadə olunur. Laserline yarımkeçirici lazerlərin nümayəndəsi müəssisəsidir.

Enerji təsir formasına görə təsnif edilir: İmpuls lazeri (PULSE), kvazi-davamlı lazer (QCW), davamlı lazer (CW)

İmpuls lazeri: nanosaniyə, pikosaniyə, femtosaniyə, bu yüksək tezlikli impuls lazeri (ns, impuls eni) tez-tez yüksək pik enerjisi, yüksək tezlikli (MHZ) emal əldə edə bilər, nazik mis və alüminiumdan fərqli materialların emalı, eləcə də əsasən təmizlənməsi üçün istifadə olunur. Yüksək pik enerjisindən istifadə etməklə, aşağı təsir müddəti və kiçik istilik təsir zonası ilə əsas materialı tez əridə bilər. Ultra nazik materialların (0,5 mm-dən aşağı) emalında üstünlüklərə malikdir;

Kvazi-fasili lazer (QCW): Yüksək təkrarlanma nisbəti və aşağı iş dövrü (50%-dən aşağı) səbəbindən impuls eniQCW lazerikilovat səviyyəli fasiləsiz lif lazeri ilə Q-kommutasiyalı impuls lazeri arasındakı boşluğu dolduraraq 50 us-50 ms-ə çatır; Kvazi-fasiləsiz lif lazerinin pik gücü fasiləsiz rejimdə işləmə zamanı orta gücün 10 qatına çata bilər. QCW lazerləri ümumiyyətlə iki rejimə malikdir, biri aşağı gücdə fasiləsiz qaynaq, digəri isə orta gücün 10 qatı pik gücünə malik impulslu lazer qaynağıdır ki, bu da daha qalın materiallar və daha çox istilik qaynağı əldə etməyə imkan verir, eyni zamanda istiliyi çox kiçik bir diapazonda idarə edir;

Davamlı Lazer (CW): Bu, ən çox istifadə edilən lazer növüdür və bazarda görülən lazerlərin əksəriyyəti qaynaq emalı üçün davamlı olaraq lazer çıxaran CW lazerləridir. Lif lazerləri müxtəlif nüvə diametrlərinə və şüa keyfiyyətlərinə görə tək rejimli və çox rejimli lazerlərə bölünür və müxtəlif tətbiq ssenarilərinə uyğunlaşdırıla bilər.