Prinzip vun der Lasergeneratioun

Firwat musse mir de Prinzip vu Laseren kennen?

D'Ënnerscheeder tëscht übleche Hallefleiterlaser, Faseren, Scheiwen a kennenYAG-Laserkann och hëllefen, e besser Verständnis ze kréien a méi Diskussiounen am Auswielprozess ze féieren.

Den Artikel konzentréiert sech haaptsächlech op d'Populärwëssenschaft: eng kuerz Aféierung an de Prinzip vun der Lasergeneratioun, d'Haaptstruktur vu Laseren a verschidde üblech Aarte vu Laseren.

Éischtens, de Prinzip vun der Lasergeneratioun

Laser gëtt duerch d'Interaktioun tëscht Liicht a Matière generéiert, bekannt als stimuléiert Stralungsverstärkung; Fir d'stimuléiert Stralungsverstärkung ze verstoen, muss een d'Konzepter vun der spontaner Emissioun, der stimuléierter Absorptioun an der stimuléierter Stralung verstoen, souwéi e puer néideg theoretesch Grondlagen.

Theoretesch Basis 1: Bohr-Modell

De Bohr-Modell liwwert haaptsächlech déi intern Struktur vun Atomer, wat et einfach mécht ze verstoen, wéi Laseren entstinn. En Atom besteet aus engem Kär an Elektronen ausserhalb vum Kär, an d'Orbitale vun den Elektrone sinn net arbiträr. Elektrone hunn nëmme bestëmmt Orbitale, vun deenen den inneren Orbital Grondzoustand genannt gëtt; Wann en Elektron am Grondzoustand ass, ass seng Energie am niddregsten. Wann en Elektron aus enger Ëmlafbunn sprängt, gëtt dat den éischten angereegten Zoustand genannt, an d'Energie vum éischten angereegten Zoustand ass méi héich wéi déi vum Grondzoustand; eng aner Ëmlafbunn gëtt den zweeten angereegten Zoustand genannt;

De Grond firwat Laser optriede kënnen, ass well Elektronen sech an dësem Modell a verschiddenen Ëmlafbunnen beweegen. Wann Elektronen Energie absorbéieren, kënne se vum Grondzoustand an den ugereegten Zoustand lafen; wann en Elektron vum ugereegten Zoustand an de Grondzoustand zréckkënnt, fräisetzt en Energie, déi dacks a Form vun engem Laser fräigesat gëtt.

Theoretesch Basis 2: Einstein seng Theorie vun der stimuléierter Stralung

Am Joer 1917 huet den Einstein d'Theorie vun der stimuléierter Stralung virgeschloen, déi déi theoretesch Basis fir Laser a Laserproduktioun ass: d'Absorptioun oder Emissioun vu Matière ass am Fong d'Resultat vun der Interaktioun tëscht dem Stralungsfeld an de Partikelen, aus deenen d'Matière besteet, an hir Käressenz 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 mat enger grousser Zuel vu Partikelen existéieren dës dräi Prozesser ëmmer koexistéieren a si enk matenee verbonnen.

Spontan Emissioun:

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

D'Charakteristike vun der spontaner Emissioun: All Photon ass onofhängeg, mat verschiddene Richtungen a Phasen, an den Optriedezäitpunkt ass och zoufälleg. Et gehéiert zu inkohärentem a chaoteschem Liicht, wat net dat Liicht ass, dat vum Laser gebraucht gëtt. Dofir muss de Lasergeneratiounsprozess dës Zort vu Streiliicht reduzéieren. Dëst ass och ee vun de Grënn, firwat d'Wellenlängt vu verschiddene Laseren Streiliicht huet. Wann gutt kontrolléiert, kann den Undeel vun der spontaner Emissioun am Laser ignoréiert ginn. Wat méi reng de Laser ass, wéi zum Beispill 1060 nm, wat alles 1060 nm ass. Dës Zort Laser huet eng relativ stabil Absorptiounsquote a Leeschtung.

Stimuléiert Absorptioun:

Elektronen op niddregen Energieniveauen (niddreg Orbitalen) wiesselen, nodeems se Photonen absorbéiert hunn, op méi héich Energieniveauen (héich Orbitalen), an dëse Prozess gëtt stimuléiert Absorptioun genannt. Stimuléiert Absorptioun ass entscheedend an ee vun de Schlësselpompelprozesser. D'Pompelquell vum Laser liwwert Photonenergie, fir datt d'Partikelen am Verstärkungsmedium wiesselen a waarden op stimuléiert Stralung op méi héijen Energieniveauen, wouduerch de Laser ausgestraalt gëtt.

Stimuléiert Stralung:

Wann en duerch Liicht vun externer Energie (hv=E2-E1) bestraalt gëtt, gëtt den Elektron um héijen Energieniveau vum externen Photon ugereegt a sprängt op den niddregen Energieniveau (déi héich Ëmlafbunn leeft op déi niddreg Ëmlafbunn). Gläichzäiteg emittéiert en e Photon, deen exakt d'selwecht ass wéi den externen Photon. Dëse Prozess absorbéiert net dat ursprénglecht Anregungsliicht, sou datt et zwou identesch Photonen gëtt, wat een als den Elektron verstoe kann, deen de virdru absorbéierte Photon ausspëtzt. Dëse Lumineszenzprozess gëtt stimuléiert Stralung genannt, wat de Réckgang vun der stimuléierter Absorptioun ass.

Nodeems d'Theorie kloer ass, ass et ganz einfach, e Laser ze bauen, wéi an der uewe genannter Figur gewisen: ënner normalen Bedingunge vu Materialstabilitéit sinn déi grouss Majoritéit vun den Elektronen am Grondzoustand, d'Elektronen am Grondzoustand, an de Laser ass vun der stimuléierter Stralung ofhängeg. Dofir ass d'Struktur vum Laser sou, datt als éischt eng stimuléiert Absorptioun optrieden kann, wouduerch d'Elektronen op en héicht Energieniveau bruecht ginn, an dann eng Anregung gesuergt gëtt, fir datt eng grouss Zuel vun Elektronen mat héijem Energieniveau stimuléiert Stralung ënnerleien, wouduerch Photonen fräigesat ginn. Doraus kann e Laser generéiert ginn. Als nächst wäerte mir d'Laserstruktur virstellen.

Laserstruktur:

Verbind d'Laserstruktur mat de virdru genannten Lasergeneratiounsbedingungen een nom aneren:

Zoustand vum Optriede a korrespondéierend Struktur:

1. Et gëtt e Verstärkungsmedium, dat als Laser-Aarbechtsmedium en Verstärkungseffekt bitt, an seng aktivéiert Partikelen hunn eng Energieniveaustruktur, déi gëeegent ass fir stimuléiert Stralung ze generéieren (haaptsächlech fäeg Elektronen an héichenergetesch Orbitaler ze pompelen a fir eng gewëssen Zäit ze existéieren, an dann Photonen an engem Otemzuch duerch stimuléiert Stralung fräisetzen);

2. Et gëtt eng extern Anregungsquell (Pompelquell), déi Elektrone vum ënneschten Niveau op den ieweschten Niveau pompele kann, wouduerch eng Partikelzuelinversioun tëscht dem ieweschten an ënneschten Niveau vum Laser verursaacht gëtt (d.h. wann et méi héichenergetesch Partikelen ewéi niddregenergetesch Partikelen gëtt), wéi zum Beispill d'Xenonlampe a YAG-Laseren;

3. Et gëtt eng Resonanzkavitéit, déi Laseroszillatioun erreeche kann, d'Aarbechtslängt vum Laseraarbechtsmaterial erhéijen, de Liichtwellemodus ofschirmen, d'Ausbreedungsrichtung vum Stral kontrolléieren, d'stimuléiert Stralungsfrequenz selektiv verstärken fir d'Monochromatizitéit ze verbesseren (suergen datt de Laser mat enger bestëmmter Energie ausgestraalt gëtt).

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

Laserklassifikatioun: allgemeng klasséiert no Verstärkungsmedium oder no Laserenergieform

Klassifikatioun vum Gewënnmëttel:

Kuelendioxid-LaserDe Verstärkungsmedium vum Kuelendioxidlaser ass Helium anCO2-Laser,mat enger Laserwellelängt vun 10,6µm, wat ee vun den éischte Laserprodukter ass, déi op de Maart koumen. Déi fréi Laserschweißung baséiert haaptsächlech op engem Kuelendioxidlaser, deen de Moment haaptsächlech fir d'Schweißen an d'Schneiden vun net-metallesche Materialien (Stoffer, Plastik, Holz, asw.) benotzt gëtt. Zousätzlech gëtt en och op Lithographiemaschinne benotzt. De Kuelendioxidlaser kann net duerch optesch Faseren iwwerdroe ginn a beweegt sech duerch raimlech optesch Weeër. Déi fréist Tongkuai war relativ gutt gemaach, a vill Schneidausrüstung gouf benotzt;

YAG (Yttriumaluminiumgranat) Laser: YAG-Kristaller, déi mat Neodym (Nd) oder Yttrium (Yb) Metallionen dotiert sinn, ginn als Laserverstärkungsmedium benotzt, mat enger Emissiounswellelängt vun 1,06 µm. De YAG-Laser kann méi héich Impulser ausginn, awer d'Duerchschnëttsleistung ass niddreg, an d'Spëtzeleistung kann déi 15-fach Duerchschnëttsleistung erreechen. Wann et haaptsächlech e Pulslaser ass, kann eng kontinuéierlech Leeschtung net erreecht ginn; Awer et kann iwwer optesch Faseren iwwerdroe ginn, an zur selwechter Zäit klëmmt d'Absorptiounsquote vu Metallmaterialien, an et fänkt un a Materialien mat héijer Reflexioun unzewenden, fir d'éischt am 3C-Feld;

Glasfaserlaser: De Mainstream um Maart benotzt Ytterbium-dotiert Glasfaser als Verstärkungsmedium, mat enger Wellelängt vun 1060 nm. Et gëtt weider opgedeelt a Glasfaser- a Scheiwenlaser baséiert op der Form vum Medium; Glasfaser representéiert IPG, während Scheiwen Tongkuai representéiert.

Hallefleiterlaser: De Verstärkungsmedium ass eng Hallefleiter-PN-Verbindung, an d'Wellenlängt vum Hallefleiterlaser läit haaptsächlech bei 976 nm. Aktuell ginn Hallefleiter-Nahinfraroutlaser haaptsächlech fir d'Cladding benotzt, mat Liichtflecken iwwer 600 µm. Laserline ass eng representativ Entreprise vu Hallefleiterlaser.

Klassifizéiert no der Form vun der Energiewierkung: Pulslaser (PULSE), quasi-kontinuéierleche Laser (QCW), kontinuéierleche Laser (CW)

Pulslaser: Nanosekonn, Pikosekonn, Femtosekonn, dësen Héichfrequenz-Pulslaser (ns, Pulsbreet) kann dacks eng héich Spëtzenenergie an eng Héichfrequenzveraarbechtung (MHZ) erreechen, a gëtt haaptsächlech fir d'Veraarbechtung vun dënne Koffer- an Aluminiummaterialien a fir d'Botzen benotzt. Duerch d'Benotzung vun héijer Spëtzenenergie kann en d'Basismaterial séier schmëlzen, mat enger gerénger Wierkungszäit an enger klenger Hëtztbeaflossungszon. En huet Virdeeler bei der Veraarbechtung vun ultradënne Materialien (ënner 0,5 mm);

Quasi-kontinuéierleche Laser (QCW): Wéinst der héijer Widderhuelungsquote an dem niddrege Duty Cycle (ënner 50%), ass d'Pulsbreet vumQCW-Lasererreecht 50 us-50 ms, fëllt d'Lück tëscht dem kontinuéierleche Faserlaser op Kilowatt-Niveau an dem Q-geschalteten Pulslaser; D'Spëtzeleeschtung vun engem quasi-kontinuéierleche Faserlaser kann am kontinuéierleche Modusbetrieb dat zéngmol sou héich sinn wéi déi duerchschnëttlech Leeschtung. QCW-Laseren hunn am Allgemengen zwéi Modi, ee Modi ass kontinuéierlecht Schweessen mat gerénger Leeschtung, an deen aneren ass gepulst Laserschweißen mat enger Spëtzeleeschtung vun der zéngmol sou héijer Leeschtung, wat méi déck Materialien a méi Hëtztschweißen erreeche kann, wärend d'Hëtzt gläichzäiteg an engem ganz klenge Beräich kontrolléiert gëtt;

Kontinuéierleche Laser (CW): Dëst ass dee meescht benotzten, an déi meescht Laser um Maart si CW-Laseren, déi kontinuéierlech Laser fir d'Schweißveraarbechtung ausginn. Faserlaser ginn a Single-Modus- a Multi-Modus-Laseren no verschiddene Kärduerchmiesser a Stralqualitéiten opgedeelt a kënnen un ënnerschiddlech Uwendungsszenarien ugepasst ginn.