Принцип генерации лазерного излучения

Зачем нам нужно знать принцип работы лазеров?

Знание различий между распространенными полупроводниковыми лазерами, волоконными лазерами, дисковыми лазерами и т.д.YAG-лазерЭто также может помочь лучше понять ситуацию и принять участие в более широких дискуссиях в процессе отбора.

Статья в основном посвящена популяризации науки: краткому введению в принцип генерации лазерного излучения, основной структуре лазеров и нескольким распространенным типам лазеров.

Во-первых, принцип генерации лазерного излучения.

Лазерное излучение генерируется в результате взаимодействия света и материи, известного как стимулированное усиление излучения; для понимания стимулированного усиления излучения необходимо понимать концепции Эйнштейна о спонтанном излучении, стимулированном поглощении и стимулированном излучении, а также некоторые необходимые теоретические основы.

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 самая низкая. Если электрон переходит с одной орбитали на другую, это называется первым возбужденным состоянием, и энергия первого возбужденного состояния будет выше, чем энергия основного состояния; другая орбиталь называется вторым возбужденным состоянием;

Причина возникновения лазерного излучения заключается в том, что в этой модели электроны движутся по разным орбитам. Если электроны поглощают энергию, они могут переходить из основного состояния в возбужденное; если электрон возвращается из возбужденного состояния в основное, он высвобождает энергию, которая часто проявляется в виде лазерного излучения.

Теоретические основы 2: Теория стимулированного излучения Эйнштейна

В 1917 году Эйнштейн предложил теорию стимулированного излучения, которая является теоретической основой для лазеров и их производства: поглощение или излучение вещества по существу является результатом взаимодействия поля излучения с частицами, составляющими вещество, и его суть заключается в переходе частиц между различными энергетическими уровнями. В процессе взаимодействия света и вещества выделяют три различных процесса: спонтанное излучение, стимулированное излучение и стимулированное поглощение. Для системы, содержащей большое количество частиц, эти три процесса всегда сосуществуют и тесно связаны между собой.

Самопроизвольное излучение:

Как показано на рисунке: электрон на высокоэнергетическом уровне E2 спонтанно переходит на низкоэнергетический уровень E1 и испускает фотон с энергией hv, причем hv = E2 - E1; этот спонтанный и не связанный между собой процесс перехода называется спонтанным переходом, а световые волны, испускаемые при спонтанных переходах, называются спонтанным излучением.

Характеристики спонтанного излучения: каждый фотон независим, имеет различное направление и фазу, а время его возникновения также случайно. Это некогерентный и хаотичный свет, который не является необходимым для лазера. Поэтому в процессе генерации лазерного излучения необходимо уменьшить этот тип рассеянного света. Это также одна из причин, почему в различных лазерах присутствует рассеянный свет. При правильном контроле долю спонтанного излучения в лазере можно игнорировать. Чем чище лазерное излучение, например, 1060 нм, тем больше рассеянный свет в этом диапазоне. Такой тип лазера имеет относительно стабильную скорость поглощения и мощность.

Стимулированное всасывание:

Электроны на низких энергетических уровнях (низших орбиталях) после поглощения фотонов переходят на более высокие энергетические уровни (высокие орбитали), и этот процесс называется стимулированным поглощением. Стимулированное поглощение имеет решающее значение и является одним из ключевых процессов накачки. Источник накачки лазера обеспечивает энергию фотонов, заставляя частицы в активной среде переходить на более высокие энергетические уровни и ожидать стимулированного излучения, испуская лазерный луч.

Стимулированное излучение:

При облучении светом с внешней энергией (hv=E2-E1) электрон на высоком энергетическом уровне возбуждается внешним фотоном и переходит на низкий энергетический уровень (с высокой орбиты на низкую). При этом он испускает фотон, в точности идентичный внешнему фотону. Этот процесс не поглощает исходный возбуждающий свет, поэтому образуются два идентичных фотона, что можно интерпретировать как испускание электроном ранее поглощенного фотона. Этот процесс люминесценции называется стимулированным излучением, которое является обратным процессом стимулированного поглощения.

После того, как теория стала понятной, построить лазер очень просто, как показано на рисунке выше: в нормальных условиях стабильности материала подавляющее большинство электронов находится в основном состоянии, а лазер работает за счет стимулированного излучения. Поэтому структура лазера заключается в том, чтобы сначала произошло стимулированное поглощение, переводящее электроны на высокоэнергетический уровень, а затем обеспечить возбуждение, вызывающее стимулированное излучение большого количества электронов с высокоэнергетическим уровнем и испускание фотонов. Таким образом, можно генерировать лазер. Далее мы рассмотрим структуру лазера.

Структура лазера:

Сопоставьте структуру лазера с условиями генерации лазерного излучения, упомянутыми ранее, по порядку:

Условия возникновения и соответствующая структура:

1. В качестве рабочей среды лазера используется усиливающая среда, обеспечивающая эффект усиления, а активированные ею частицы имеют структуру энергетических уровней, подходящую для генерации стимулированного излучения (в основном, они способны перекачивать электроны на высокоэнергетические орбитали и существовать в течение определенного периода времени, а затем испускать фотоны за один цикл посредством стимулированного излучения);

2. Существует 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 низкоэнергетических), например, ксеноновая лампа в YAG-лазерах;

3. Имеется резонансная полость, которая позволяет осуществлять лазерную генерацию, увеличивать рабочую длину обрабатываемого материала, экранировать режимы световых волн, контролировать направление распространения луча, избирательно усиливать частоту стимулированного излучения для повышения монохроматичности (обеспечивая выход лазерного излучения с определенной энергией).

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

Классификация лазеров: обычно классифицируются по активной среде или по форме лазерной энергии.

Классификация среднего уровня выигрыша:

лазер на основе диоксида углеродаВ качестве активной среды в углекислотном лазере используется гелий.CO2-лазер,С длиной волны лазера 10,6 мкм, это один 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 в литографических машинах. Углекислотный лазер не может передаваться по оптическим волокнам и распространяется по пространственным оптическим путям. Самые ранние образцы Tongkuai были разработаны относительно хорошо, и использовалось много режущего оборудования;

YAG-лазер (иттрий-алюминиевый гранат): в качестве активной среды лазера используются кристаллы YAG, легированные ионами неодима (Nd) или иттрия (Yb), с длиной волны излучения 1,06 мкм. YAG-лазер может генерировать более мощные импульсы, но средняя мощность низкая, а пиковая мощность может достигать 15 раз большей средней мощности. Если это преимущественно импульсный лазер, то непрерывного излучения достичь невозможно; однако он может передаваться через оптические волокна, и одновременно увеличивается коэффициент поглощения металлических материалов, поэтому он начинает применяться в материалах с высокой отражательной способностью, впервые примененный в области 3C (технологии, основанные на взаимодействии света и света).

Волоконный лазер: В настоящее время на рынке преобладает иттербий-легированное волокно в качестве активной среды с длиной волны 1060 нм. В зависимости от формы среды он подразделяется на волоконные и дисковые лазеры; волоконно-оптические лазеры называются IPG, а дисковые — Tongkuai.

Полупроводниковый лазер: в качестве активной среды используется полупроводниковый PN-переход, а длина волны полупроводникового лазера в основном составляет 976 нм. В настоящее время в полупроводниковых лазерах ближнего инфракрасного диапазона в основном используется покрытие, при этом световое пятно имеет размер более 600 мкм. Компания Laserline является одним из ведущих предприятий в области полупроводниковых лазеров.

Классификация по форме воздействия энергии: импульсный лазер (PULSE), квазинепрерывный лазер (QCW), непрерывный лазер (CW).

Импульсный лазер: наносекундный, пикосекундный, фемтосекундный. Этот высокочастотный импульсный лазер (нс, ширина импульса) часто обеспечивает высокую пиковую энергию и высокую частоту обработки (МГц). Он используется для обработки тонких медных и алюминиевых разнородных материалов, а также для очистки. Благодаря высокой пиковой энергии он быстро расплавляет основной материал, имеет малое время воздействия и небольшую зону термического воздействия. Он обладает преимуществами при обработке сверхтонких материалов (менее 0,5 мм).

Квазинепрерывный лазер (QCW): Благодаря высокой частоте повторения и низкому коэффициенту заполнения (ниже 50%), ширина импульсаQCW лазердлительность импульса достигает 50 мкс-50 мс, заполняя пробел между непрерывными волоконными лазерами киловаттного уровня и импульсными лазерами с модуляцией добротности; пиковая мощность квазинепрерывного волоконного лазера может достигать 10 раз большей средней мощности при работе в непрерывном режиме. Квазинепрерывные волоконные лазеры обычно имеют два режима: непрерывная сварка на низкой мощности и импульсная лазерная сварка с пиковой мощностью, в 10 раз превышающей среднюю, что позволяет сваривать более толстые материалы и выделять больше тепла, при этом контролируя температуру в очень узком диапазоне;

Непрерывный лазер (НЛ): Это наиболее распространенный тип лазеров, и большинство представленных на рынке являются НЛ-лазерами, непрерывно излучающими лазерный луч для сварочных работ. Волоконные лазеры делятся на одномодовые и многомодовые в зависимости от диаметра сердцевины и качества луча и могут быть адаптированы к различным сценариям применения.