Lazer ishlab chiqarish printsipi

Nima uchun lazerlarning ishlash printsipini bilishimiz kerak?

Umumiy yarimo'tkazgich lazerlar, tolalar, disklar va boshqalar o'rtasidagi farqlarni bilishYAG lazerishuningdek, tanlov jarayonida yaxshiroq tushunishga va ko'proq muhokamalarda ishtirok etishga yordam berishi mumkin.

Maqola asosan ommabop fanga qaratilgan: lazer generatsiyasi tamoyiliga qisqacha kirish, lazerlarning asosiy tuzilishi va bir nechta keng tarqalgan lazer turlari.

Birinchidan, lazer ishlab chiqarish printsipi

Lazer yorug'lik va materiya o'rtasidagi o'zaro ta'sir orqali hosil bo'ladi, bu stimulyatsiya qilingan nurlanish kuchaytirilishi deb nomlanadi; stimulyatsiya qilingan nurlanish kuchaytirilishini tushunish uchun Eynshteynning o'z-o'zidan emissiya, stimulyatsiya qilingan yutilish va stimulyatsiya qilingan nurlanish tushunchalarini, shuningdek, ba'zi zarur nazariy asoslarni tushunish talab etiladi.

Nazariy asos 1: Bor modeli

Bor modeli asosan atomlarning ichki tuzilishini taqdim etadi, bu lazerlarning qanday paydo bo'lishini tushunishni osonlashtiradi. Atom yadro va yadro tashqarisidagi elektronlardan iborat va elektronlarning orbitallari o'zboshimchalik bilan emas. Elektronlar faqat ma'lum orbitallarga ega, 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'algan holat deb ataladi va birinchi qo'zg'algan holatning energiyasi asosiy holatdan yuqori bo'ladi; Boshqa orbita ikkinchi qo'zg'algan holat deb ataladi;

Lazerning paydo bo'lishining sababi shundaki, bu modelda elektronlar turli orbitalarda harakatlanadi. Agar elektronlar energiyani yutib olsa, ular asosiy holatdan qo'zg'algan holatga o'tishi mumkin; Agar elektron qo'zg'algan holatdan asosiy holatga qaytsa, u ko'pincha lazer shaklida chiqariladigan energiyani chiqaradi.

Nazariy asos 2: Eynshteynning stimulyatsiya qilingan nurlanish nazariyasi

1917-yilda Eynshteyn lazerlar va lazer ishlab chiqarishning nazariy asosi bo'lgan stimulyatsiyalangan nurlanish nazariyasini taklif qildi: moddaning yutilishi yoki emissiyasi asosan nurlanish maydoni va moddani tashkil etuvchi zarrachalar o'rtasidagi o'zaro ta'sir natijasidir va uning asosiy mohiyati zarrachalarning turli energiya darajalari o'rtasida o'tishidir. Yorug'lik va materiya o'rtasidagi o'zaro ta'sirda uch xil jarayon mavjud: o'z-o'zidan emissiya, stimulyatsiyalangan emissiya va stimulyatsiyalangan yutilish. Ko'p sonli zarrachalarni o'z ichiga olgan tizim uchun bu uchta jarayon doimo birga mavjud va 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 energiyasiga ega foton chiqaradi va hv=E2-E1; Bu o'z-o'zidan va bog'liq bo'lmagan o'tish jarayoni o'z-o'zidan o'tish deb ataladi va o'z-o'zidan o'tishlar natijasida chiqarilgan yorug'lik to'lqinlari o'z-o'zidan nurlanish deb ataladi.

Spontan emissiyaning xususiyatlari: Har bir foton mustaqil, turli yo'nalishlar va fazalarga ega va paydo bo'lish vaqti ham tasodifiydir. Bu nomuvofiq va tartibsiz yorug'likka tegishli bo'lib, lazer talab qiladigan yorug'lik emas. Shuning uchun lazer hosil qilish jarayoni bu turdagi adashgan yorug'likni kamaytirishi kerak. Bu shuningdek, turli lazerlarning to'lqin uzunligida adashgan yorug'lik bo'lishining sabablaridan biridir. Agar yaxshi boshqarilsa, lazerdagi o'z-o'zidan emissiya ulushini e'tiborsiz qoldirish mumkin. 1060 nm kabi lazer qanchalik toza bo'lsa, u hammasi 1060 nm. Bu turdagi lazer nisbatan barqaror yutilish tezligi va quvvatiga ega.

Rag'batlantirilgan yutilish:

Past energiya darajasidagi (past orbitallar) elektronlar fotonlarni yutgandan so'ng yuqori energiya darajasiga (yuqori orbitallar) o'tadi va bu jarayon stimulyatsiyalangan yutilish deb ataladi. Stimulyatsiyalangan yutilish juda muhim va asosiy nasos jarayonlaridan biridir. Lazerning nasos manbai kuchaytiruvchi muhitdagi zarrachalarning yuqori energiya darajasida o'tishiga va stimulyatsiyalangan nurlanishni kutishiga sabab bo'ladigan foton energiyasini ta'minlaydi va lazer chiqaradi.

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 sakraydi (yuqori orbita past orbitaga o'tadi). Shu bilan birga, u tashqi foton bilan aynan bir xil bo'lgan fotonni chiqaradi. Bu jarayon asl qo'zg'alish nurini yutib yubormaydi, shuning uchun ikkita bir xil foton bo'ladi, buni elektron avval yutilgan fotonni chiqarib yuborishi deb tushunish mumkin. Bu lyuminestsentsiya jarayoni stimulyatsiyalangan nurlanish deb ataladi, bu stimulyatsiyalangan yutishning teskari jarayonidir.

Nazariya aniq bo'lgandan so'ng, yuqoridagi rasmda ko'rsatilgandek, lazerni yaratish juda oson: normal material barqarorligi sharoitida elektronlarning aksariyati asosiy holatda, elektronlar asosiy holatda va lazer stimulyatsiya qilingan nurlanishga bog'liq. Shuning uchun, lazerning tuzilishi avval stimulyatsiya qilingan yutilishning sodir bo'lishiga imkon berish, elektronlarni yuqori energiya darajasiga olib chiqish va keyin ko'p sonli yuqori energiya darajasidagi elektronlarning stimulyatsiya qilingan nurlanishga uchrashiga sabab bo'ladigan qo'zg'alishni ta'minlash, fotonlarni chiqarishdir. Shundan lazer hosil qilish mumkin. Keyin, biz lazer tuzilishini tanishtiramiz.

Lazer tuzilishi:

Lazer tuzilishini avval aytib o'tilgan lazer hosil qilish shartlari bilan birma-bir moslang:

Vujudga kelish holati va unga mos keladigan tuzilma:

1. Lazer ishchi muhiti sifatida kuchaytirish effektini ta'minlaydigan kuchaytirish muhiti 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, keyin esa stimulyatsiya qilingan nurlanish orqali bir nafasda fotonlarni chiqaradi);

2. YAG lazerlaridagi ksenon lampasi kabi, elektronlarni pastki darajadan yuqori darajaga pompalay oladigan tashqi qo'zg'alish manbai (nasos manbai) mavjud bo'lib, lazerning yuqori va pastki darajalari o'rtasida zarrachalar sonining teskari o'zgarishiga olib keladi (ya'ni, past energiyali zarrachalarga qaraganda yuqori energiyali zarrachalar ko'proq bo'lganda);

3. Lazer tebranishini ta'minlaydigan, lazer ishlaydigan materialning ish uzunligini oshiradigan, yorug'lik to'lqini rejimini ekranlaydigan, nurning tarqalish yo'nalishini boshqaradigan, monoxromatiklikni yaxshilash uchun stimulyatsiya qilingan nurlanish chastotasini tanlab kuchaytiradigan (lazerning ma'lum bir energiyada chiqarilishini ta'minlaydigan) rezonansli bo'shliq mavjud.

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

Lazer tasnifi: odatda kuchaytirish muhiti yoki lazer energiyasi shakli bo'yicha tasniflanadi

O'rtacha tasnifni oshirish:

Karbonat angidrid lazeriKarbonat angidrid lazerining kuchaytirish muhiti geliy vaCO2 lazeri,10,6 um lazer to'lqin uzunligiga ega, bu esa ishga tushirilgan eng qadimgi lazer mahsulotlaridan biridir. Dastlabki lazerli payvandlash asosan karbonat angidrid lazeriga asoslangan bo'lib, u hozirda asosan metall bo'lmagan materiallarni (matolar, plastmassalar, yog'och va boshqalar) payvandlash va kesish uchun ishlatiladi. Bundan tashqari, u litografiya mashinalarida ham qo'llaniladi. Karbonat angidrid lazeri optik tolalar orqali o'tolmaydi va fazoviy optik yo'llar orqali o'tadi. Eng qadimgi Tongkuai nisbatan yaxshi bajarilgan va ko'plab kesish uskunalari ishlatilgan;

YAG (ittriy alyuminiy granat) lazeri: Neodimiy (Nd) yoki ittriy (Yb) metall ionlari bilan lehimlangan YAG kristallari lazer 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 impulsli lazer bo'lsa, uzluksiz chiqishga erishib bo'lmaydi; lekin u optik tolalar orqali uzatilishi mumkin va shu bilan birga metall materiallarning yutilish tezligi oshadi va u birinchi marta 3C maydonida qo'llaniladigan yuqori aks ettirish materiallarida qo'llanila boshlandi;

Optik tolali lazer: Bozordagi hozirgi asosiy oqim kuchaytirish vositasi sifatida ytterbiy bilan lehimlangan toladan foydalanadi, uning to'lqin uzunligi 1060 nm. U muhit shakliga qarab tolali va diskli lazerlarga bo'linadi; optik tolali lazer IPG ni, disk esa Tongkuayni anglatadi.

Yarimo'tkazgichli lazer: Kuchaytiruvchi muhit yarimo'tkazgichli PN birikmasidir va yarimo'tkazgichli lazerning to'lqin uzunligi asosan 976 nm ni tashkil qiladi. Hozirgi vaqtda yarimo'tkazgichli yaqin infraqizil lazerlar asosan qoplama uchun ishlatiladi, yorug'lik nuqtalari 600 um dan yuqori. Laserline yarimo'tkazgichli lazerlarning vakili korxonasidir.

Energiya ta'siri shakli bo'yicha tasniflanadi: Impulsli lazer (PULSE), kvazi-uzluksiz lazer (QCW), uzluksiz lazer (CW)

Impuls lazeri: nanosekund, pikosekund, femtosekund, bu yuqori chastotali impuls lazeri (ns, impuls kengligi) ko'pincha yuqori cho'qqi energiyasiga, yuqori chastotali (MHZ) ishlov berishga erishishi mumkin, yupqa mis va alyuminiydan farqli materiallarni qayta ishlashda, shuningdek, asosan tozalashda ishlatiladi. Yuqori cho'qqi energiyasidan foydalanish orqali u asosiy materialni tezda eritishi mumkin, past ta'sir vaqti va kichik issiqlik ta'sir zonasi bilan. U juda yupqa materiallarni (0,5 mm dan past) qayta ishlashda afzalliklarga ega;

Kvazi uzluksiz lazer (QCW): Yuqori takrorlash tezligi va past ish aylanishi (50% dan past) tufayli impuls kengligiQCW lazeri50 us-50 ms ga yetadi, kilovatt darajasidagi uzluksiz tolali lazer va Q-kommutatsiyali impulsli lazer orasidagi bo'shliqni to'ldiradi; Yarim uzluksiz tolali lazerning eng yuqori quvvati uzluksiz rejimda ishlashda o'rtacha quvvatning 10 baravariga yetishi mumkin. QCW lazerlari odatda ikkita rejimga ega, biri past quvvatda uzluksiz payvandlash, ikkinchisi esa o'rtacha quvvatning 10 baravar yuqori quvvatiga ega impulsli lazerli payvandlash bo'lib, bu qalinroq materiallar va ko'proq issiqlik bilan payvandlashga erishishi mumkin, shu bilan birga issiqlikni juda kichik diapazonda boshqaradi;

Uzluksiz lazer (CW): Bu eng ko'p ishlatiladigan lazer turi bo'lib, bozorda ko'riladigan lazerlarning aksariyati payvandlash uchun lazerni uzluksiz chiqaradigan CW lazerlaridir. Tolali lazerlar turli yadro diametrlari va nurlanish xususiyatlariga ko'ra bir rejimli va ko'p rejimli lazerlarga bo'linadi va turli xil qo'llanilish stsenariylariga moslashtirilishi mumkin.