Принцип генерации лазера

Зачем нам знать принцип работы лазеров?

Зная различия между обычными полупроводниковыми лазерами, волокнами, дисками иИАГ-лазертакже может помочь лучше понять ситуацию и принять участие в большем обсуждении в процессе отбора.

Статья в основном посвящена научно-популярным вопросам: краткое введение в принцип лазерной генерации, основную структуру лазеров и несколько распространенных типов лазеров.

Во-первых, принцип генерации лазера

Лазер генерируется в результате взаимодействия света и вещества, известного как усиление вынужденного излучения; Понимание усиления вынужденного излучения требует понимания концепций Эйнштейна о спонтанном излучении, вынужденном поглощении и вынужденном излучении, а также некоторых необходимых теоретических основ.

Теоретическая основа 1: Модель Бора

Модель Бора в основном описывает внутреннюю структуру атомов, что позволяет легко понять, как возникают лазеры. Атом состоит из ядра и электронов вне ядра, и орбитали электронов не являются произвольными. Электроны имеют только определенные орбитали, среди которых самая внутренняя орбиталь называется основным состоянием; Если электрон находится в основном состоянии, его энергия наименьшая. Если электрон выскакивает с орбиты, его называют первым возбужденным состоянием, и энергия первого возбужденного состояния будет выше энергии основного состояния; Другая орбита называется вторым возбужденным состоянием;

Причина, по которой может возникнуть лазер, заключается в том, что в этой модели электроны будут двигаться по разным орбитам. Если электроны поглощают энергию, они могут перейти из основного состояния в возбужденное; Если электрон возвращается из возбужденного состояния в основное состояние, он высвобождает энергию, которая часто выделяется в виде лазера.

Теоретическая основа 2: теория вынужденного излучения Эйнштейна.

В 1917 году Эйнштейн предложил теорию вынужденного излучения, которая является теоретической основой лазеров и лазерного производства: поглощение или излучение вещества по сути является результатом взаимодействия между полем излучения и частицами, составляющими вещество, и его ядром. сутью является переход частиц между разными энергетическими уровнями. Во взаимодействии света и вещества происходят три различных процесса: спонтанное излучение, вынужденное излучение и вынужденное поглощение. Для системы, содержащей большое количество частиц, эти три процесса всегда сосуществуют и тесно связаны.

Спонтанное излучение:

Как показано на рисунке: электрон на высокоэнергетическом уровне Е2 спонтанно переходит на низкоэнергетический уровень Е1 и испускает фотон с энергией hv, причем hv=E2-E1; Этот спонтанный и несвязанный переходный процесс называется спонтанным переходом, а световые волны, испускаемые в результате спонтанных переходов, называются спонтанным излучением.

Характеристики спонтанного излучения: Каждый фотон независим, имеет разные направления и фазы, время возникновения также случайно. Он принадлежит к некогерентному и хаотическому свету, который не является тем светом, который необходим лазеру. Следовательно, процесс лазерной генерации должен уменьшать этот тип рассеянного света. Это также одна из причин, почему длина волны различных лазеров имеет рассеянный свет. При правильном контроле долей спонтанного излучения в лазере можно пренебречь. Чем чище лазер, например 1060 нм, то все это 1060 нм. Этот тип лазера имеет относительно стабильную скорость поглощения и мощность.

Стимулированное поглощение:

Электроны на низких энергетических уровнях (низкие орбитали) после поглощения фотонов переходят на более высокие энергетические уровни (высокие орбитали), и этот процесс называется вынужденным поглощением. Стимулированное всасывание имеет решающее значение и является одним из ключевых процессов накачки. Источник накачки лазера обеспечивает энергию фотонов, чтобы заставить частицы в усиливающей среде переходить и ждать стимулированного излучения на более высоких энергетических уровнях, излучая лазер.

Стимулированное излучение:

При облучении светом внешней энергии (hv=E2-E1) электрон на высоком энергетическом уровне возбуждается внешним фотоном и перепрыгивает на низкий энергетический уровень (высокая орбита переходит на низкую орбиту). В то же время он излучает фотон, точно такой же, как внешний фотон. Этот процесс не поглощает исходный свет возбуждения, поэтому будет два одинаковых фотона, что можно понимать как выплевывание ранее поглощенного фотона электроном. Этот процесс люминесценции называется стимулированным излучением, который является процессом, обратным вынужденному поглощению.

После того, как теория понятна, построить лазер очень просто, как показано на рисунке выше: при нормальных условиях стабильности материала подавляющее большинство электронов находятся в основном состоянии, электроны в основном состоянии, а лазер зависит от стимулированное излучение. Следовательно, структура лазера должна позволять сначала происходить стимулированное поглощение, переводя электроны на высокий энергетический уровень, а затем обеспечивать возбуждение, заставляющее большое количество электронов с высокими энергетическими уровнями подвергаться стимулированному излучению, высвобождая фотоны. лазер может быть сгенерирован. Далее мы представим лазерную структуру.

Лазерная структура:

Поочередно сопоставьте структуру лазера с условиями генерации лазера, упомянутыми ранее:

Состояние возникновения и соответствующая структура:

1. В качестве рабочего тела лазера имеется усиливающая среда, обеспечивающая усиливающий эффект, а ее активированные частицы имеют структуру энергетических уровней, пригодную для генерации стимулированного излучения (в основном способны перекачивать электроны на высокоэнергетические орбитали и существуют в течение определенного периода времени , а затем высвободить фотоны за один вдох посредством стимулированного излучения);

2. Имеется внешний источник возбуждения (источник накачки), который может перекачивать электроны с нижнего уровня на верхний, вызывая инверсию числа частиц между верхним и нижним уровнями лазера (т.е. когда высокоэнергетических частиц больше, чем частицы низкой энергии), такие как ксеноновая лампа в YAG-лазерах;

3. Имеется резонансная полость, которая может достигать лазерных колебаний, увеличивать рабочую длину лазерного рабочего материала, экранировать режим световой волны, контролировать направление распространения луча, выборочно усиливать частоту стимулированного излучения для улучшения монохроматичности (гарантируя, что лазер излучается с определенной энергией).

Соответствующая структура показана на рисунке выше и представляет собой простую структуру YAG-лазера. Другие структуры могут быть более сложными, но суть заключается в следующем. Процесс генерации лазера показан на рисунке:

Классификация лазеров: обычно классифицируется по усиливающей среде или по форме лазерной энергии.

Получите среднюю классификацию:

Углекислотный лазер: Усиливающей средой углекислотного лазера является гелий иCO2-лазер,с длиной волны лазера 10,6 мкм, что является одним из первых лазерных продуктов, выпущенных на рынок. Ранняя лазерная сварка в основном основывалась на углекислотном лазере, который в настоящее время в основном используется для сварки и резки неметаллических материалов (тканей, пластмасс, дерева и т. д.). Кроме того, он также используется на литографических машинах. Лазер на углекислом газе не может передаваться по оптическим волокнам и перемещается по пространственным оптическим путям. Самый ранний Tongkuai был сделан относительно хорошо, и использовалось много режущего оборудования;

Лазер на YAG (алюминиево-иттриевом гранате): кристаллы YAG, легированные ионами металлов неодима (Nd) или иттрия (Yb), используются в качестве усиливающей среды лазера с длиной волны излучения 1,06 мкм. YAG-лазер может выдавать более высокие импульсы, но средняя мощность низкая, а пиковая мощность может достигать 15-кратной средней мощности. Если это в основном импульсный лазер, непрерывная мощность не может быть достигнута; Но его можно передавать по оптическим волокнам, и в то же время скорость поглощения металлических материалов увеличивается, и его начинают применять в материалах с высокой отражающей способностью, впервые примененных в области 3C;

Волоконный лазер: в настоящее время на рынке используется волокно, легированное иттербием, в качестве усиливающей среды с длиной волны 1060 нм. В зависимости от формы среды его разделяют на волоконные и дисковые лазеры; Оптоволокно представляет собой IPG, а диск представляет собой Tongkuai.

Полупроводниковый лазер. Усиливающей средой является полупроводниковый PN-переход, а длина волны полупроводникового лазера в основном составляет 976 нм. В настоящее время для наплавки в основном используются полупроводниковые лазеры ближнего инфракрасного диапазона со световыми пятнами выше 600 мкм. Laserline – представительское предприятие полупроводниковых лазеров.

Классифицируются по форме энергетического воздействия: Импульсный лазер (PULSE), квазинепрерывный лазер (QCW), непрерывный лазер (CW).

Импульсный лазер: наносекундный, пикосекундный, фемтосекундный, этот высокочастотный импульсный лазер (нс, ширина импульса) часто может достигать высокой пиковой энергии, высокочастотной (МГЦ) обработки, используется для обработки тонких медных и алюминиевых разнородных материалов, а также для очистки в основном . Используя высокую пиковую энергию, он может быстро расплавить основной материал с коротким временем действия и небольшой зоной термического воздействия. Он имеет преимущества при обработке ультратонких материалов (менее 0,5 мм);

Квазинепрерывный лазер (QCW): благодаря высокой частоте повторения и малому рабочему циклу (ниже 50%) ширина импульсаQCW-лазердостигает 50 мкс-50 мс, заполняя пробел между непрерывным волоконным лазером киловаттного уровня и импульсным лазером с модуляцией добротности; Пиковая мощность квазинепрерывного волоконного лазера может в 10 раз превышать среднюю мощность при работе в непрерывном режиме. Лазеры QCW обычно имеют два режима: один — непрерывная сварка при низкой мощности, а другой — импульсная лазерная сварка с пиковой мощностью, в 10 раз превышающей среднюю мощность, что позволяет достигать более толстых материалов и большей тепловой сварки, а также контролировать нагрев в пределах очень маленький радиус действия;

Лазер непрерывного действия (CW): наиболее часто используемый, и большинство лазеров, представленных на рынке, являются лазерами непрерывного действия, которые непрерывно излучают лазер для сварочной обработки. Волоконные лазеры делятся на одномодовые и многомодовые в зависимости от диаметра сердцевины и качества луча и могут быть адаптированы к различным сценариям применения.