Lazerlerin prensibini neden bilmemiz gerekiyor?
Yaygın yarı iletken lazerler, fiberler, diskler ve lazerler arasındaki farkları bilmekYAG lazerayrıca seçim süreci boyunca daha iyi bir anlayış kazanmaya ve daha fazla tartışmaya katılmaya yardımcı olabilir.
Makale esas olarak popüler bilime odaklanıyor: Lazer üretimi ilkesine kısa bir giriş, lazerlerin ana yapısı ve birkaç yaygın lazer türü.
İlk olarak, lazer üretimi prensibi
Lazer, uyarılmış radyasyon amplifikasyonu olarak bilinen, ışık ve madde arasındaki etkileşim yoluyla üretilir; Uyarılmış radyasyon amplifikasyonunu anlamak, Einstein'ın kendiliğinden emisyon, uyarılmış soğurma ve uyarılmış radyasyon kavramlarının yanı sıra bazı gerekli teorik temellerin anlaşılmasını gerektirir.
Teorik Temel 1: Bohr Modeli
Bohr modeli temel olarak atomların iç yapısını sağlayarak lazerlerin nasıl oluştuğunu anlamayı kolaylaştırır. Bir atom, bir çekirdek ve çekirdeğin dışındaki elektronlardan oluşur ve elektronların yörüngeleri keyfi değildir. Elektronların yalnızca belirli yörüngeleri vardır; bunların arasında en içteki yörüngeye temel durum adı verilir; Elektron temel durumda ise enerjisi en düşüktür. Bir elektron yörüngeden dışarı fırlarsa buna birinci uyarılmış durum denir ve ilk uyarılmış durumun enerjisi temel durumunkinden daha yüksek olacaktır; Başka bir yörüngeye ikinci uyarılmış durum adı verilir;
Lazerin ortaya çıkabilmesinin nedeni bu modelde elektronların farklı yörüngelerde hareket edecek olmasıdır. Elektronlar enerjiyi emerlerse temel durumdan uyarılmış duruma geçebilirler; Bir elektron uyarılmış durumdan temel duruma geri dönerse, genellikle lazer şeklinde salınan enerjiyi serbest bırakır.
Teorik Temel 2: Einstein'ın Uyarılmış Radyasyon Teorisi
1917'de Einstein, lazerlerin ve lazer üretiminin teorik temeli olan uyarılmış radyasyon teorisini önerdi: Maddenin emilmesi veya emisyonu, esasen radyasyon alanı ile maddeyi oluşturan parçacıklar ve onun çekirdeği arasındaki etkileşimin sonucudur. özü, parçacıkların farklı enerji seviyeleri arasındaki geçişidir. Işık ve madde arasındaki etkileşimde üç farklı süreç vardır: kendiliğinden emisyon, uyarılmış emisyon ve uyarılmış emilim. Çok sayıda parçacık içeren bir sistem için bu üç süreç her zaman bir arada bulunur ve birbiriyle yakından ilişkilidir.
Kendiliğinden emisyon:
Şekilde gösterildiği gibi: E2 yüksek enerji seviyesindeki bir elektron kendiliğinden düşük enerji seviyesi E1'e geçer ve hv enerjili ve hv=E2-E1 olan bir foton yayar; Bu kendiliğinden ve ilgisiz geçiş sürecine kendiliğinden geçiş adı verilir ve kendiliğinden geçişlerin yaydığı ışık dalgalarına kendiliğinden radyasyon denir.
Kendiliğinden emisyonun özellikleri: Her foton bağımsızdır, farklı yönlere ve aşamalara sahiptir ve oluşma zamanı da rastgeledir. Lazerin ihtiyaç duyduğu ışık olmayan, tutarsız ve kaotik ışığa aittir. Bu nedenle lazer üretim sürecinin bu tür başıboş ışığı azaltması gerekiyor. Bu aynı zamanda çeşitli lazerlerin dalga boylarının başıboş ışığa sahip olmasının nedenlerinden biridir. İyi kontrol edilirse lazerdeki kendiliğinden emisyon oranı göz ardı edilebilir. Lazer ne kadar safsa, örneğin 1060 nm, tamamı 1060 nm'dir. Bu tip lazer nispeten istikrarlı bir soğurma oranına ve gücüne sahiptir.
Uyarılmış emilim:
Düşük enerji seviyelerindeki (düşük yörüngeler) elektronlar, fotonları soğurduktan sonra daha yüksek enerji düzeylerine (yüksek yörüngeler) geçerler ve bu işleme uyarılmış soğurma denir. Uyarılmış emilim çok önemlidir ve temel pompalama süreçlerinden biridir. Lazerin pompa kaynağı, kazanç ortamındaki parçacıkların geçiş yapmasına ve daha yüksek enerji seviyelerinde uyarılmış radyasyonu beklemesine neden olarak lazeri yayan foton enerjisi sağlar.
Uyarılmış radyasyon:
Yüksek enerji düzeyindeki elektron, dış enerjinin ışığıyla ışınlandığında (hv=E2-E1), dış foton tarafından uyarılır ve düşük enerji düzeyine atlar (yüksek yörünge, alçak yörüngeye doğru koşar). Aynı zamanda dışarıdaki fotonun birebir aynısı olan bir foton yayar. Bu işlem, orijinal uyarılma ışığını absorbe etmez, bu nedenle iki özdeş foton olacaktır, bu da elektronun daha önce emilen fotonu dışarı atmasıyla anlaşılabilir. Bu lüminesans sürecine, uyarılmış emilimin ters işlemi olan uyarılmış radyasyon denir.
Teori netleştikten sonra, yukarıdaki şekilde gösterildiği gibi bir lazer oluşturmak çok basittir: normal malzeme stabilitesi koşulları altında, elektronların büyük çoğunluğu temel durumda, elektronlar temel durumda ve lazer, lazere bağlıdır. uyarılmış radyasyon. Bu nedenle lazerin yapısı, öncelikle uyarılmış absorpsiyonun gerçekleşmesine izin vererek elektronları yüksek enerji seviyesine getirmek ve daha sonra çok sayıda yüksek enerji seviyesindeki elektronun uyarılmış radyasyona maruz kalmasına neden olacak bir uyarım sağlayarak fotonları serbest bırakmaktır. lazer oluşturulabilir. Daha sonra lazer yapısını tanıtacağız.
Lazer yapısı:
Lazer yapısını daha önce bahsedilen lazer üretim koşullarıyla tek tek eşleştirin:
Oluş durumu ve karşılık gelen yapı:
1. Lazer çalışma ortamı olarak amplifikasyon etkisi sağlayan bir kazanç ortamı vardır ve aktif parçacıkları, uyarılmış radyasyon üretmeye uygun bir enerji seviyesi yapısına sahiptir (esas olarak elektronları yüksek enerjili yörüngelere pompalayabilir ve belirli bir süre boyunca var olabilir). ve ardından uyarılmış radyasyon yoluyla tek nefeste fotonları serbest bırakır);
2. Elektronları alt seviyeden üst seviyeye pompalayabilen ve lazerin üst ve alt seviyeleri arasında parçacık sayısının tersine dönmesine neden olan (yani, daha fazla yüksek enerjili parçacıklar olduğunda) harici bir uyarma kaynağı (pompa kaynağı) vardır. YAG lazerlerindeki ksenon lamba gibi düşük enerjili parçacıklar;
3. Lazer salınımı gerçekleştirebilen, lazer çalışma malzemesinin çalışma uzunluğunu arttırabilen, ışık dalgası modunu tarayabilen, ışının yayılma yönünü kontrol edebilen, monokromatikliği geliştirmek için uyarılmış radyasyon frekansını seçici olarak yükseltebilen bir rezonans boşluğu vardır ( Lazer belirli bir enerjide üretilir).
İlgili yapı, bir YAG lazerinin basit bir yapısı olan yukarıdaki şekilde gösterilmektedir. Diğer yapılar daha karmaşık olabilir ama özü budur. Lazer üretim süreci şekilde gösterilmektedir:
Lazer sınıflandırması: genellikle kazanç ortamına veya lazer enerji formuna göre sınıflandırılır
Orta sınıflandırmayı kazanın:
Karbondioksit lazeri: Karbondioksit lazerin kazanç ortamı helyumdur veCO2 lazer,Piyasaya sürülen en eski lazer ürünlerinden biri olan 10,6um lazer dalga boyuna sahiptir. İlk lazer kaynağı esas olarak karbondioksit lazerine dayanıyordu ve bu lazer şu anda çoğunlukla metalik olmayan malzemelerin (kumaş, plastik, ahşap vb.) kaynaklanması ve kesilmesi için kullanılıyor. Ayrıca litografi makinelerinde de kullanılmaktadır. Karbondioksit lazeri optik fiberler yoluyla iletilemez ve uzaysal optik yollardan geçer. En eski Tongkuai nispeten iyi bir şekilde yapılmıştı ve çok sayıda kesme ekipmanı kullanılmıştı;
YAG (itriyum alüminyum garnet) lazer: Neodim (Nd) veya itriyum (Yb) metal iyonlarıyla katkılı YAG kristalleri, 1,06um emisyon dalga boyuna sahip lazer kazanç ortamı olarak kullanılır. YAG lazeri daha yüksek darbeler üretebilir ancak ortalama güç düşüktür ve tepe gücü, ortalama gücün 15 katına ulaşabilir. Eğer esas olarak bir darbe lazeri ise, sürekli çıktı elde edilemez; Fakat optik fiberler aracılığıyla iletilebildiğinden aynı zamanda metal malzemelerin soğurma oranı da artıyor ve ilk olarak 3C alanında uygulanan yüksek yansıtıcılıktaki malzemelerde de uygulanmaya başlanıyor;
Fiber lazer: Piyasadaki mevcut ana akım, kazanç ortamı olarak 1060 nm dalga boyuna sahip iterbiyum katkılı fiber kullanıyor. Ayrıca ortamın şekline göre fiber ve disk lazerlere ayrılır; Fiber optik IPG'yi, disk ise Tongkuai'yi temsil eder.
Yarı iletken lazer: Kazanç ortamı yarı iletken bir PN bağlantısıdır ve yarı iletken lazerin dalga boyu esas olarak 976 nm'dir. Şu anda, yarı iletken yakın kızılötesi lazerler çoğunlukla 600um'un üzerinde ışık noktalarıyla kaplama için kullanılıyor. Laserline, yarı iletken lazerlerin temsili bir kuruluşudur.
Enerji eyleminin biçimine göre sınıflandırılır: Darbeli lazer (PULSE), yarı sürekli lazer (QCW), sürekli lazer (CW)
Darbe lazeri: nanosaniye, pikosaniye, femtosaniye, bu yüksek frekanslı darbe lazeri (ns, darbe genişliği) genellikle yüksek tepe enerjisi, yüksek frekans (MHZ) işlemeyi başarabilir, ince bakır ve alüminyuma benzemeyen malzemelerin işlenmesinde ve çoğunlukla temizlikte kullanılır. . Yüksek tepe enerjisi kullanarak, düşük etki süresi ve küçük ısıdan etkilenen bölge ile temel malzemeyi hızlı bir şekilde eritebilir. Ultra ince malzemelerin (0,5 mm'nin altında) işlenmesinde avantajlara sahiptir;
Yarı sürekli lazer (QCW): Yüksek tekrarlama oranı ve düşük görev döngüsü (%50'nin altında) nedeniyle, darbe genişliğiQCW lazer50 us-50 ms'ye ulaşarak kilovat düzeyindeki sürekli fiber lazer ile Q-anahtarlı darbeli lazer arasındaki boşluğu doldurur; Yarı sürekli fiber lazerin tepe gücü, sürekli modda çalışma sırasındaki ortalama gücün 10 katına ulaşabilir. QCW lazerleri genellikle iki moda sahiptir; biri düşük güçte sürekli kaynak, diğeri ise ortalama gücün 10 katı tepe gücüne sahip darbeli lazer kaynağıdır; bu, daha kalın malzemeler ve daha fazla ısı kaynağı elde ederken aynı zamanda ısıyı belirli bir aralıkta kontrol edebilir. çok küçük aralık;
Sürekli Lazer (CW): Bu en yaygın kullanılanıdır ve piyasada görülen lazerlerin çoğu, kaynak işlemi için sürekli olarak lazer çıkışı sağlayan CW lazerlerdir. Fiber lazerler, farklı çekirdek çaplarına ve ışın kalitelerine göre tek modlu ve çok modlu lazerlere ayrılır ve farklı uygulama senaryolarına uyarlanabilir.
Gönderim zamanı: 20 Aralık 2023
