Prinzip vun Laser Generatioun

Firwat musse mir de Prinzip vun Laser wëssen?

Wëssen d'Ënnerscheeder tëscht gemeinsam semiconductor Laser, Faseren, discs, anYAG Laserkann och hëllefe fir e bessert Verständnis ze kréien a méi Diskussiounen während dem Selektiounsprozess engagéieren.

Den Artikel konzentréiert sech haaptsächlech op populär Wëssenschaft: eng kuerz Aféierung an de Prinzip vun der Laser Generatioun, d'Haaptstruktur vun de Laser a verschidde gemeinsam Aarte vu Laser.

Éischtens, de Prinzip vun der Laser Generatioun

Laser gëtt duerch d'Interaktioun tëscht Liicht a Matière generéiert, bekannt als stimuléiert Stralungsverstärkung; Stimuléiert Stralungsverstärkung ze verstoen erfuerdert dem Einstein seng Konzepter vu spontaner Emissioun, stimuléierter Absorptioun a stimuléierter Stralung ze verstoen, souwéi e puer noutwendeg theoretesch Fundamenter.

Theoretesch Basis 1: Bohr Modell

De Bohr Modell liwwert haaptsächlech déi intern Struktur vun Atomer, sou datt et einfach ass ze verstoen wéi Laser optrieden. En Atom besteet aus engem Kär an Elektronen ausserhalb vum Kär, an d'Orbitaler vun Elektronen sinn net arbiträr. Elektronen hunn nëmme bestëmmten Ëmlafbunnen, ënnert deenen den banneschten Ëmlafbunn de Grondzoustand genannt gëtt; Wann en Elektron am Grondzoustand ass, ass seng Energie déi niddregst. Wann en Elektron aus enger Ëmlafbunn spréngt, nennt een den éischten excitéierten Zoustand, an d'Energie vum éischten excitéierten Zoustand wäert méi héich sinn wéi déi vum Grondzoustand; Eng aner Ëmlafbunn gëtt den zweeten opgereegte Staat genannt;

De Grond firwat Laser ka geschéien ass well Elektronen an dësem Modell a verschiddene Bunnen bewegen. Wann d'Elektronen Energie absorbéieren, kënne se vum Grondzoustand an den opgereegten Zoustand lafen; Wann en Elektron aus dem opgereegten Zoustand an de Grondzoustand zréckkënnt, wäert en Energie fräiginn, déi dacks a Form vun engem Laser fräigelooss gëtt.

Theoretesch Basis 2: Einsteins Stimuléiert Stralungstheorie

Am Joer 1917 huet den Einstein d'Theorie vun der stimuléierter Stralung proposéiert, déi d'theoretesch Basis fir Laser a Laserproduktioun ass: d'Absorptioun oder d'Emissioun vun der Matière ass wesentlech d'Resultat vun der Interaktioun tëscht dem Stralungsfeld an de Partikelen, déi d'Matière ausmaachen, a säi Kär Essenz ass den Iwwergang vu Partikelen tëscht verschiddenen Energieniveauen. Et ginn dräi verschidde Prozesser an der Interaktioun tëscht Liicht a Matière: spontan Emissioun, stimuléiert Emissioun a stimuléiert Absorptioun. Fir e System deen eng grouss Zuel vu Partikelen enthält, existéieren dës dräi Prozesser ëmmer zesummen a si enk verbonnen.

Spontan Emissioun:

Wéi an der Figur gewisen: en Elektron um Héichenergieniveau E2 iwwergëtt spontan op den nidderegen Energieniveau E1 an emittéiert e Photon mat enger Energie vun hv, an hv=E2-E1; Dëse spontanen an onrelatéierten Iwwergangsprozess gëtt spontan Iwwergang genannt, an d'Liichtwellen, déi duerch spontan Iwwergäng ausgestraalt ginn, ginn spontan Stralung genannt.

D'Charakteristike vun der spontaner Emissioun: All Photon ass onofhängeg, mat verschiddene Richtungen a Phasen, an d'Optriedezäit ass och zoufälleg. Et gehéiert zu inkohärent a chaotescht Liicht, wat net d'Liicht ass, déi vum Laser erfuerderlech ass. Dofir muss de Laser-Generatiounsprozess dës Aart vu Sträiflicht reduzéieren. Dëst ass och ee vun de Grënn firwat d'Wellelängt vu verschiddene Laser Sträiflicht huet. Wann gutt kontrolléiert, kann den Undeel vun spontaner Emissioun am Laser ignoréiert ginn. Wat de Laser méi pur ass, sou wéi 1060 nm, et ass alles 1060 nm, Dës Zort Laser huet eng relativ stabil Absorptiounsquote a Kraaft.

Stimuléiert Absorptioun:

Elektronen op nidderegen Energieniveauen (niddereg Orbitaler), no der Absorptioun vu Photonen, iwwergoen op méi héich Energieniveauen (héich Orbitaler), an dëse Prozess gëtt stimuléiert Absorptioun genannt. Stimuléiert Absorptioun ass entscheedend an ee vun de Schlëssel Pompelprozesser. D'Pompelquell vum Laser liwwert Photonenergie fir Partikelen am Gewënnmedium zum Iwwergang ze verursaachen an op stimuléiert Stralung op méi héije Energieniveauen ze waarden, de Laser emittéiert.

Stimuléiert Stralung:

Wann duerch d'Liicht vun der externer Energie (hv=E2-E1) bestraht gëtt, gëtt den Elektron um héijen Energieniveau vum externe Photon opgereegt a spréngt op den nidderegen Energieniveau (déi héich Ëmlafbunn leeft op déi niddreg Ëmlafbunn). Zur selwechter Zäit emittéiert et e Photon dee genee d'selwecht ass wéi den externen Photon. Dëse Prozess absorbéiert net dat ursprénglecht Excitatiounsliicht, sou datt et zwee identesch Photonen gëtt, déi verstane kënne ginn, wéi den Elektron de virdru absorbéierte Photon ausspitt.

Nodeems d'Theorie kloer ass, ass et ganz einfach e Laser ze bauen, wéi an der uewendriwwer Figur gewisen: ënner normale Bedéngungen vun der Materialstabilitéit sinn déi grouss Majoritéit vun Elektronen am Grondzoustand, Elektronen am Grondzoustand, a Laser hänkt dovun of stimuléiert Stralung. Dofir ass d'Struktur vum Laser fir d'éischt stimuléiert Absorptioun z'erméiglechen, Elektronen op den héijen Energieniveau ze bréngen, an dann eng Excitatioun ubidden fir eng grouss Unzuel vun héijen Energieniveau Elektronen ze verursaachen stimuléiert Stralung z'ënnerhalen, Fotone fräiginn, Vun dësem, Laser kann generéiert ginn. Als nächst wäerte mir d'Laserstruktur aféieren.

Laser Struktur:

Match d'Laserstruktur mat de Laser Generatiounsbedéngungen, déi virdru een nom aneren ernimmt goufen:

Zoustand vum Optriede an entspriechend Struktur:

1. Et gëtt e Gewënnmedium dat Verstäerkungseffekt als Laser-Aarbechtsmedium ubitt, a seng aktivéiert Partikelen hunn eng Energieniveaustruktur, déi gëeegent ass fir stimuléiert Stralung ze generéieren (haaptsächlech fäeg Elektronen op héichenergesche Orbitaler ze pumpen an existéieren fir eng gewëssen Zäit , an dann Photonen an engem Otem duerch stimuléiert Stralung fräiginn);

2. Et gëtt eng extern Excitatiounsquell (Pumpequell) déi Elektronen aus dem ënneschten Niveau op den ieweschten Niveau pompe kann, wat d'Partikelzuelinversioun tëscht den ieweschten an den ënneschten Niveau vum Laser verursaacht (dh wann et méi héich-Energiepartikelen ass wéi niddereg-Energie-Partikel), wéi d'Xenon-Lampe bei YAG-Laser;

3. Et gëtt e Resonanzhuelraum, deen d'Laser-Schwéngung erreechen kann, d'Aarbechtslängt vum Laser-Aarbechtsmaterial erhéijen, de Liichtwelle-Modus opmaachen, d'Verbreedungsrichtung vum Strahl kontrolléieren, d'stimuléiert Stralungsfrequenz selektiv verstäerken fir d'Monochromatizitéit ze verbesseren (assuréieren datt de Laser gëtt mat enger gewësser Energie erausginn).

Déi entspriechend Struktur ass an der uewen Figur gewisen, déi eng einfach Struktur vun engem YAG Laser ass. Aner Strukture kënne méi komplex sinn, awer de Kär ass dëst. De Laser Generatiounsprozess gëtt an der Figur gewisen:

Laser Klassifikatioun: allgemeng klasséiert duerch Gewënnmedium oder duerch Laserenergieform

Gitt mëttel Klassifikatioun:

Kuelendioxid Laser: De Gewënnmedium vu Kuelendioxidlaser ass Helium anCO2 Laser,mat enger Laserwellelängt vun 10,6um, wat ee vun de fréiste Laserprodukter ass, déi lancéiert ginn. Déi fréi Laser-Schweißen war haaptsächlech op Kuelendioxid-Laser baséiert, deen am Moment haaptsächlech fir Schweißen a Schneiden vun net-metallesche Materialien (Stoff, Plastik, Holz, asw.) benotzt gëtt. Zousätzlech gëtt et och op Lithographiemaschinne benotzt. Kuelendioxid Laser kann net duerch optesch Faseren iwwerdroen ginn a reesen duerch raimlech optesch Weeër, Déi éischt Tongkuai war relativ gutt gemaach, a vill opzedeelen Equipement gouf benotzt;

YAG (Yttrium Aluminium Granat) Laser: YAG Kristaller dotéiert mat Neodym (Nd) oder Yttrium (Yb) Metallione ginn als Laser Gewënnmedium benotzt, mat enger Emissiounswellelängt vun 1.06um. Den YAG Laser kann méi héich Impulser ausginn, awer déi duerchschnëttlech Kraaft ass niddereg, an d'Spëtzkraaft kann 15 Mol d'Moyenne Kraaft erreechen. Wann et haaptsächlech e Pulslaser ass, kann kontinuéierlech Ausgang net erreecht ginn; Awer et kann duerch optesch Faseren iwwerdroen ginn, a gläichzäiteg erhéicht d'Absorptiounsquote vu Metallmaterialien, an et fänkt un an héichreflektiv Materialien applizéiert ze ginn, fir d'éischt am 3C Feld applizéiert ze ginn;

Fiber Laser: Den aktuelle Mainstream um Maart benotzt ytterbium dotéiert Faser als Gewënnmedium, mat enger Wellelängt vun 1060nm. Et gëtt weider a Glasfaser- a Scheiflaser opgedeelt op Basis vun der Form vum Medium; Fiberoptik duerstellt IPG, iwwerdeems disc duerstellt Tongkuai.

Semiconductor Laser: D'Gewënnmedium ass en Halbleiter PN Kräizung, an d'Wellelängt vum Halbleiterlaser ass haaptsächlech bei 976nm. Am Moment sinn Hallefleit-Nop-Infrarout-Laser haaptsächlech fir Verkleedung benotzt, mat Liichtflecken iwwer 600um. Laserline ass eng representativ Entreprise vu Halbleiterlaser.

Klassifizéiert no der Form vun der Energieaktioun: Puls Laser (PULSE), Quasi kontinuéierlech Laser (QCW), kontinuéierlech Laser (CW)

Pulslaser: Nanosecond, Picosecond, Femtosecond, dësen Héichfrequenz-Puls-Laser (ns, Pulsbreed) kann dacks héich Peak-Energie, Héichfrequenz (MHZ) Veraarbechtung erreechen, benotzt fir dënnem Kupfer an Aluminium ënnerschiddlech Materialien ze veraarbechten, souwéi d'Botzen meeschtens . Andeems Dir héich Peak Energie benotzt, kann et d'Basismaterial séier schmëlzen, mat enger gerénger Handlungszäit a klenger Hëtztbetraffener Zone. Et huet Virdeeler bei der Veraarbechtung vun ultra-dënnen Materialien (ënner 0,5 mm);

Quasi kontinuéierlech Laser (QCW): Wéinst héije Widderhuelungsquote an nidderegen Duty Cycle (ënner 50%) ass d'Pulsbreet vunQCW Lasererreecht 50 us-50 ms, fëllt d'Lück tëscht Kilowatt Niveau kontinuéierlech Léngen Laser an Q-geschalt Pulsatiounsperiod Laser; D'Peak Muecht vun engem quasi kontinuéierlech Léngen Laser kann erreechen 10 Mol der Moyenne Muecht ënner kontinuéierlech Modus Operatioun. QCW Laser hunn allgemeng zwee Modi, een ass kontinuéierlech Schweißen mat niddereger Kraaft, an deen aneren ass pulséiert Laser Schweißen mat enger Peakkraaft vun 10 Mol déi duerchschnëttlech Kraaft, wat méi décker Materialien a méi Hëtzt Schweißen erreechen kann, wärend och d'Hëtzt bannent engem ganz kleng Gamme;

Kontinuéierlech Laser (CW): Dëst ass am meeschte benotzt, an déi meescht vun de Laser déi um Maart gesi ginn sinn CW Laser déi kontinuéierlech Laser fir d'Schweißveraarbechtung ausginn. Fiber Laser sinn an Single-Modus a Multi-Modus Laser ënnerdeelt no verschiddene Kär Duerchmiesser an hëlze Qualitéiten, a kann op verschidden Applikatioun Szenarie ugepasst ginn.