Lazerni yaratish printsipi

Nima uchun lazer printsipini bilishimiz kerak?

Umumiy yarimo'tkazgichli lazerlar, tolalar, disklar va o'rtasidagi farqlarni bilishYAG lazershuningdek, tanlov jarayonida yaxshiroq tushunishga va ko'proq muhokamalarda qatnashishga yordam berishi mumkin.

Maqolada asosan ommabop ilm-fanga qaratilgan: lazerni yaratish printsipi, lazerlarning asosiy tuzilishi va lazerlarning bir nechta keng tarqalgan turlari haqida qisqacha ma'lumot.

Birinchidan, lazerni yaratish printsipi

Lazer yorug'lik va materiya o'rtasidagi o'zaro ta'sir natijasida hosil bo'ladi, bu stimulyatsiya qilingan radiatsiya kuchaytirilishi deb nomlanadi; Rag'batlantirilgan nurlanish kuchayishini tushunish uchun Eynshteynning o'z-o'zidan emissiya, stimulyatsiyalangan yutilish va stimulyatsiya qilingan nurlanish tushunchalarini, shuningdek, ba'zi zarur nazariy asoslarni tushunish kerak.

Nazariy asos 1: Bor modeli

Bor modeli asosan atomlarning ichki tuzilishini ta'minlaydi, bu lazerlarning qanday paydo bo'lishini tushunishni osonlashtiradi. Atom yadrodan tashqarida joylashgan yadro va elektronlardan iborat bo'lib, elektronlarning orbitallari o'zboshimchalik bilan emas. Elektronlarda faqat ma'lum orbitallar mavjud, ular orasida eng ichki orbital asosiy holat deb ataladi; Agar elektron asosiy holatda bo'lsa, uning energiyasi eng past bo'ladi. Agar elektron orbitadan sakrab chiqsa, u birinchi qo'zg'alilgan holat deb ataladi va birinchi qo'zg'aluvchan holatning energiyasi asosiy holatga qaraganda yuqori bo'ladi; Boshqa orbita ikkinchi qo'zg'aluvchan holat deb ataladi;

Lazer paydo bo'lishining sababi, bu modelda elektronlar turli orbitalarda harakatlanishidir. Agar elektronlar energiyani o'zlashtirsa, ular asosiy holatdan qo'zg'aluvchan holatga o'tishi mumkin; Agar elektron hayajonlangan holatdan asosiy holatga qaytsa, u energiyani chiqaradi, bu ko'pincha lazer shaklida chiqariladi.

Nazariy asos 2: Eynshteynning stimulyatsiya qilingan nurlanish nazariyasi

1917 yilda Eynshteyn lazer va lazer ishlab chiqarishning nazariy asosi bo'lgan stimulyatsiya qilingan nurlanish nazariyasini taklif qildi: moddaning yutilishi yoki emissiyasi asosan nurlanish maydoni va moddani tashkil etuvchi zarralar va uning yadrosi o'rtasidagi o'zaro ta'sir natijasidir. mohiyat - zarrachalarning turli energiya darajalari o'rtasida o'tishi. Yorug'lik va materiya o'rtasidagi o'zaro ta'sirda uch xil jarayon mavjud: o'z-o'zidan emissiya, ogohlantirilgan emissiya va stimulyatsiyalangan yutilish. Ko'p sonli zarralarni o'z ichiga olgan tizim uchun bu uch jarayon doimo birga mavjud va bir-biri bilan chambarchas bog'liq.

Spontan emissiya:

Rasmda ko'rsatilganidek: yuqori energiyali E2 darajasidagi elektron o'z-o'zidan past energiyali E1 darajasiga o'tadi va hv energiyali foton chiqaradi va hv=E2-E1; Bu o'z-o'zidan va bir-biriga bog'liq bo'lmagan o'tish jarayoni o'z-o'zidan o'tish deb ataladi va o'z-o'zidan o'tishlar natijasida chiqadigan yorug'lik to'lqinlari o'z-o'zidan nurlanish deb ataladi.

O'z-o'zidan emissiya xususiyatlari: Har bir foton mustaqil, turli yo'nalish va fazalarga ega va paydo bo'lish vaqti ham tasodifiydir. Bu lazer tomonidan talab qilinadigan yorug'lik emas, balki noo'rin va xaotik nurga tegishli. Shuning uchun lazerni yaratish jarayoni ushbu turdagi adashgan nurni kamaytirishi kerak. Bu, shuningdek, turli xil lazerlarning to'lqin uzunligining adashgan nuriga ega bo'lishining sabablaridan biridir. Agar yaxshi nazorat qilinsa, lazerdagi spontan emissiya nisbati e'tiborga olinmaydi. 1060 nm kabi lazer qanchalik toza bo'lsa, barchasi 1060 nm bo'ladi, bu turdagi lazer nisbatan barqaror assimilyatsiya tezligi va quvvatiga ega.

Rag'batlangan so'rilish:

Elektronlar past energiya darajasida (past orbitallar), fotonlarni yutgandan so'ng, yuqori energiya darajalariga (yuqori orbitallarga) o'tadi va bu jarayon stimulyatsiyalangan yutilish deb ataladi. Rag'batlantirilgan so'rilish juda muhim va asosiy nasos jarayonlaridan biridir. Lazerning nasos manbai foton energiyasini ta'minlaydi, natijada qozonish muhitidagi zarrachalar o'tishga olib keladi va lazerni chiqaradigan yuqori energiya darajasida stimulyatsiya qilingan nurlanishni kutadi.

Rag'batlantirilgan nurlanish:

Tashqi energiya nuri (hv=E2-E1) bilan nurlantirilganda, yuqori energiya darajasidagi elektron tashqi foton tomonidan qo'zg'aladi va past energiya darajasiga sakrab chiqadi (yuqori orbita past orbitaga o'tadi). Shu bilan birga, u tashqi foton bilan bir xil bo'lgan foton chiqaradi. Bu jarayon asl qo'zg'atuvchi yorug'likni o'zlashtirmaydi, shuning uchun ikkita bir xil foton bo'ladi, bu elektronning ilgari so'rilgan fotonni tupurishi deb tushunish mumkin, Bu luminesans jarayoni stimulyatsiyalangan yutilishning teskari jarayoni bo'lgan stimulyatsiyalangan nurlanish deb ataladi.

Nazariya aniq bo'lgandan so'ng, yuqoridagi rasmda ko'rsatilganidek, lazerni qurish juda oddiy: moddiy barqarorlikning normal sharoitida elektronlarning katta qismi asosiy holatda, elektronlar asosiy holatda va lazer quyidagilarga bog'liq. stimulyatsiya qilingan radiatsiya. Shuning uchun lazerning tuzilishi birinchi navbatda elektronlarni yuqori energiya darajasiga olib keladigan stimulyatsiyalangan yutilishning paydo bo'lishiga imkon beradi va keyin ko'p sonli yuqori energiya darajasidagi elektronlarni stimulyatsiya qilingan nurlanishga olib keladigan, fotonlarni chiqaradigan qo'zg'alishni ta'minlaydi. lazer hosil qilish mumkin. Keyinchalik, biz lazer tuzilishi bilan tanishamiz.

Lazer tuzilishi:

Lazer tuzilishini yuqorida aytib o'tilgan lazer ishlab chiqarish shartlari bilan birma-bir moslang:

Voqea holati va tegishli tuzilma:

1. Lazerli ish muhiti sifatida kuchaytirish effektini ta'minlaydigan daromadli muhit mavjud va uning faollashtirilgan zarralari stimulyatsiya qilingan nurlanishni hosil qilish uchun mos energiya darajasidagi tuzilishga ega (asosan elektronlarni yuqori energiyali orbitallarga pompalay oladi va ma'lum vaqt davomida mavjud bo'ladi. , va keyin stimulyatsiya qilingan nurlanish orqali bir nafasda fotonlarni chiqaradi);

2. Lazerning yuqori va pastki sathlari o‘rtasida zarrachalar sonining inversiyasini keltirib chiqaradigan (ya’ni, yuqori energiyali zarrachalar yuqori energiyali zarrachalardan ko‘ra ko‘proq bo‘lganda) quyi sathdan yuqori darajaga elektronlarni pompalay oladigan tashqi qo‘zg‘atuvchi manba (nasos manbai) mavjud. kam energiyali zarralar), masalan, YAG lazeridagi ksenon chiroq;

3. Lazer tebranishiga erishish, lazer ishchi materialining ish uzunligini oshirish, yorug'lik to'lqini rejimini ekranlash, nurning tarqalish yo'nalishini nazorat qilish, monoxromatiklikni yaxshilash uchun stimulyatsiya qilingan nurlanish chastotasini tanlab kuchaytirishi mumkin bo'lgan rezonansli bo'shliq mavjud. lazer ma'lum bir energiya bilan chiqariladi).

Tegishli struktura yuqoridagi rasmda ko'rsatilgan, bu YAG lazerining oddiy tuzilishi. Boshqa tuzilmalar murakkabroq bo'lishi mumkin, ammo asosiy narsa bu. Lazer yaratish jarayoni rasmda ko'rsatilgan:

Lazer tasnifi: odatda qozonish vositasi yoki lazer energiya shakli bo'yicha tasniflanadi

O'rtacha tasniflash:

Karbonat angidrid lazeri: Karbonat angidrid lazerining qozonish muhiti geliy vaCO2 lazer,Lazer to'lqin uzunligi 10,6 um bo'lib, u ishga tushirilgan eng erta lazer mahsulotlaridan biridir. Dastlabki lazerli payvandlash asosan karbonat angidrid lazeriga asoslangan bo'lib, u hozirda asosan metall bo'lmagan materiallarni (mato, plastmassa, yog'och va boshqalarni) payvandlash va kesish uchun ishlatiladi. Bundan tashqari, u litografiya mashinalarida ham qo'llaniladi. Karbonat angidrid lazerini optik tolalar orqali uzatib bo'lmaydi va fazoviy optik yo'llar bo'ylab sayohat qiladi, eng qadimgi Tongkuai nisbatan yaxshi bajarilgan va ko'plab kesish uskunalari ishlatilgan;

YAG (ittriy alyuminiy granatasi) lazeri: neodimiy (Nd) yoki itriyum (Yb) metall ionlari bilan qo'shilgan YAG kristallari lazerni kuchaytirish vositasi sifatida ishlatiladi, emissiya to'lqin uzunligi 1,06 um. YAG lazeri yuqori impulslarni chiqarishi mumkin, ammo o'rtacha quvvat past va eng yuqori quvvat o'rtacha quvvatdan 15 baravar ko'p bo'lishi mumkin. Agar u asosan pulsli lazer bo'lsa, doimiy chiqishga erishib bo'lmaydi; Ammo u optik tolalar orqali uzatilishi mumkin va shu bilan birga, metall materiallarning assimilyatsiya qilish darajasi oshadi va u yuqori aks ettiruvchi materiallarda qo'llanila boshlaydi, birinchi navbatda 3C maydonida qo'llaniladi;

Elyaf lazer: Bozordagi hozirgi asosiy oqim 1060 nm to'lqin uzunligiga ega bo'lgan ytterbium qo'shilgan toladan foydalanadi. Muhitning shakliga ko'ra yana tolali va diskli lazerlarga bo'linadi; Optik tolali IPG, disk esa Tongkuayni ifodalaydi.

Yarimo'tkazgichli lazer: daromadli vosita yarimo'tkazgichli PN birikmasidir va yarimo'tkazgich lazerining to'lqin uzunligi asosan 976nm da. Hozirgi vaqtda yarimo'tkazgichli yaqin infraqizil lazerlar asosan qoplama uchun ishlatiladi, yorug'lik nuqtalari 600um dan yuqori. Laserline - yarimo'tkazgichli lazerlarning vakillik korxonasi.

Energiya ta'sir qilish shakli bo'yicha tasniflanadi: Pulse lazer (PULSE), kvazi uzluksiz lazer (QCW), uzluksiz lazer (CW)

Puls lazeri: nanosekund, pikosoniya, femtosekund, bu yuqori chastotali impuls lazeri (ns, puls kengligi) ko'pincha yuqori cho'qqi energiyasiga, yuqori chastotali (MHZ) ishlov berishga erisha oladi, yupqa mis va alyuminiyga o'xshash bo'lmagan materiallarni qayta ishlash uchun ishlatiladi, shuningdek, asosan tozalash uchun ishlatiladi. . Yuqori cho'qqi energiyasidan foydalangan holda, u kam ta'sir vaqti va kichik issiqlik ta'sir zonasi bilan asosiy materialni tezda eritishi mumkin. U ultra yupqa materiallarni qayta ishlashda afzalliklarga ega (0,5 mm dan past);

Kvazi uzluksiz lazer (QCW): Yuqori takrorlash tezligi va past ish aylanishi (50% dan past) tufayli puls kengligiQCW lazerkilovatt darajasidagi uzluksiz tolali lazer va Q-switched puls lazeri orasidagi bo'shliqni to'ldirib, 50 us-50 ms ga etadi; Kvazi uzluksiz tolali lazerning maksimal quvvati uzluksiz rejimda ishlashda o'rtacha quvvatdan 10 baravar ko'p bo'lishi mumkin. QCW lazerlari odatda ikkita rejimga ega, biri past quvvatda uzluksiz payvandlash, ikkinchisi esa o'rtacha quvvatdan 10 baravar yuqori quvvatga ega bo'lgan impulsli lazerli payvandlash bo'lib, qalinroq materiallarga va ko'proq issiqlik bilan payvandlashga erishadi, shu bilan birga issiqlikni nazorat qiladi. juda kichik diapazon;

Uzluksiz lazer (CW): Bu eng ko'p qo'llaniladigan va bozorda ko'rilgan lazerlarning aksariyati payvandlashni qayta ishlash uchun doimiy ravishda lazer chiqaradigan CW lazerlaridir. Fiber lazerlar turli yadro diametrlari va nur sifatiga ko'ra bir rejimli va ko'p rejimli lazerlarga bo'linadi va turli xil dastur stsenariylariga moslashtirilishi mumkin.