Lazerlerin çalışma prensibini neden bilmemiz gerekiyor?
Yaygın olarak kullanılan yarı iletken lazerler, fiberler, diskler ve diğer lazer türleri arasındaki farkları bilmekYAG lazeriBu durum, seçim sürecinde daha iyi bir anlayış kazanmaya ve daha fazla tartışmaya katılmaya da yardımcı olabilir.
Makale ağırlıklı olarak popüler bilim konularına odaklanmaktadır: lazer üretiminin prensibine kısa bir giriş, lazerlerin temel yapısı ve birkaç yaygın lazer türü.
Öncelikle, lazer üretiminin prensibi
Lazer, uyarılmış radyasyon yükseltmesi olarak bilinen ışık ve madde arasındaki etkileşim yoluyla üretilir; uyarılmış radyasyon yükseltmesini anlamak, Einstein'ın kendiliğinden emisyon, uyarılmış soğurma ve uyarılmış radyasyon kavramlarının yanı sıra bazı gerekli teorik temelleri anlamayı gerektirir.
Teorik Temel 1: Bohr Modeli
Bohr modeli esas olarak atomların iç yapısını sağlar ve lazerlerin nasıl oluştuğunu anlamayı kolaylaştırır. Bir atom, bir çekirdek ve çekirdeğin dışındaki elektronlardan oluşur ve elektronların yörüngeleri rastgele değildir. Elektronların yalnızca belirli yörüngeleri vardır; bunlardan en içteki yörüngeye temel durum denir; bir elektron temel durumda ise enerjisi en düşüktür. Bir elektron bir yörüngeden dışarı atlarsa, buna birinci uyarılmış durum denir ve birinci uyarılmış durumun enerjisi temel durumunkinden daha yüksek olur; başka bir yörüngeye ise ikinci uyarılmış durum denir;
Lazer ışınlarının oluşmasının nedeni, bu modelde elektronların farklı yörüngelerde hareket etmesidir. Elektronlar enerji emdiklerinde, temel halden uyarılmış hale geçebilirler; bir elektron uyarılmış halden temel hale geri döndüğünde ise enerji açığa çıkarır ve bu enerji genellikle lazer ışını şeklinde ortaya çıkar.
Teorik Temel 2: Einstein'ın Uyarılmış Radyasyon Teorisi
1917'de Einstein, lazerlerin ve lazer üretiminin teorik temeli olan uyarılmış radyasyon teorisini ortaya attı: maddenin soğurulması veya yayılması esasen radyasyon alanı ile maddeyi oluşturan parçacıklar arasındaki etkileşimin sonucudur ve özünde parçacıkların farklı enerji seviyeleri arasında geçişi yatmaktadır. Işık ve madde arasındaki etkileşimde üç farklı süreç vardır: kendiliğinden yayılma, uyarılmış yayılma ve uyarılmış soğurma. Çok sayıda parçacık içeren bir sistem için bu üç süreç her zaman bir arada bulunur ve birbirleriyle yakından ilişkilidir.
Kendiliğinden emisyon:
Şekilde gösterildiği gibi: yüksek enerji seviyesi E2'deki bir elektron kendiliğinden düşük enerji seviyesi E1'e geçer ve hv enerjili bir foton yayar; burada hv=E2-E1'dir. Bu kendiliğinden ve ilişkisiz geçiş sürecine kendiliğinden geçiş, kendiliğinden geçişler sonucu yayılan ışık dalgalarına ise kendiliğinden radyasyon denir.
Kendiliğinden emisyonun özellikleri: Her foton bağımsızdır, farklı yönlere ve fazlara sahiptir ve oluşum zamanı da rastgeledir. Tutarsız ve kaotik ışığa aittir ve lazerin gerektirdiği ışık değildir. Bu nedenle, lazer üretim sürecinde bu tür başıboş ışığın azaltılması gerekir. Bu aynı zamanda çeşitli lazerlerin dalga boylarında başıboş ışığın olmasının nedenlerinden biridir. İyi kontrol edilirse, lazerdeki kendiliğinden emisyon oranı ihmal edilebilir. 1060 nm gibi tamamen 1060 nm olan lazerler ne kadar safsa, bu tür lazerler nispeten istikrarlı bir soğurma oranına ve güce sahiptir.
Uyarılmış emilim:
Düşük enerji seviyelerindeki (düşük orbitallerdeki) elektronlar, fotonları absorbe ettikten sonra daha yüksek enerji seviyelerine (yüksek orbitallere) geçerler ve bu sürece uyarılmış absorpsiyon denir. Uyarılmış absorpsiyon çok önemlidir ve temel pompalama süreçlerinden biridir. Lazerin pompalama kaynağı, kazanç ortamındaki parçacıkların geçiş yapmasına ve daha yüksek enerji seviyelerinde uyarılmış radyasyonu beklemesine neden olacak foton enerjisi sağlar ve bu da lazer ışınımının yayılmasına yol açar.
Uyarılmış radyasyon:
Dış enerji ışığıyla (hv=E2-E1) ışınlandığında, yüksek enerji seviyesindeki elektron dış foton tarafından uyarılır ve düşük enerji seviyesine atlar (yüksek yörüngeden düşük yörüngeye geçer). Aynı zamanda, dış fotonla tamamen aynı olan bir foton yayar. Bu işlem, orijinal uyarı ışığını absorbe etmez, bu nedenle iki özdeş foton oluşur; bu da elektronun daha önce absorbe ettiği fotonu dışarı atması olarak anlaşılabilir. Bu lüminesans işlemine uyarılmış radyasyon denir ve uyarılmış absorpsiyonun ters işlemidir.
Teori netleştikten sonra, yukarıdaki şekilde gösterildiği gibi bir lazer oluşturmak çok basittir: Malzeme kararlılığının normal koşullarında, elektronların büyük çoğunluğu temel haldedir ve lazer, uyarılmış radyasyona bağlıdır. Bu nedenle, lazerin yapısı, önce uyarılmış soğurmanın gerçekleşmesine izin vererek elektronları yüksek enerji seviyesine getirmek ve ardından çok sayıda yüksek enerji seviyesindeki elektronun uyarılmış radyasyona maruz kalmasına neden olacak bir uyarım sağlayarak fotonlar yaymaktır. Bu sayede lazer üretilebilir. Şimdi lazer yapısını tanıtacağız.
Lazer yapısı:
Lazer yapısını, daha önce belirtilen lazer üretim koşullarıyla tek tek eşleştirin:
Oluşum koşulu ve ilgili yapı:
1. Lazer çalışma ortamı olarak yükseltme etkisi sağlayan bir kazanç ortamı vardır ve aktif parçacıkları, uyarılmış radyasyon üretmeye uygun bir enerji seviyesi yapısına sahiptir (esas olarak elektronları yüksek enerjili orbitallere pompalayabilir ve belirli bir süre boyunca orada kalabilir, ardından uyarılmış radyasyon yoluyla tek seferde fotonlar yayabilir);
2. Lazerin üst ve alt seviyeleri arasında parçacık sayısının tersine dönmesine neden olan (yani, düşük enerjili parçacıklardan daha fazla yüksek enerjili parçacık olduğunda) alt seviyeden üst seviyeye elektron pompalayabilen harici bir uyarı kaynağı (pompa kaynağı) vardır; örneğin YAG lazerlerindeki ksenon lambası gibi.
3. Lazer salınımını sağlayabilen, lazer çalışma malzemesinin çalışma uzunluğunu artıran, ışık dalga modunu filtreleyen, ışının yayılma yönünü kontrol eden, uyarılmış radyasyon frekansını seçici olarak yükselterek monokromatikliği iyileştiren (lazerin belirli bir enerjide çıkış vermesini sağlayan) bir rezonans boşluğu mevcuttur.
Yukarıdaki şekilde, YAG lazerinin basit bir yapısı gösterilmektedir. Diğer yapılar daha karmaşık olabilir, ancak özü budur. Lazer üretim süreci şekilde gösterilmiştir:
Lazer sınıflandırması: genellikle kazanç ortamına veya lazer enerji biçimine göre sınıflandırılır.
Orta seviye sınıflandırması elde edin:
Karbondioksit lazeriKarbondioksit lazerinin kazanç ortamı helyumdur veCO2 lazeri,10,6 µm lazer dalga boyuna sahip olan bu ürün, piyasaya sürülen en eski lazer ürünlerinden biridir. İlk lazer kaynak yöntemleri esas olarak karbondioksit lazerine dayanıyordu ve şu anda çoğunlukla metal olmayan malzemelerin (kumaşlar, plastikler, ahşap vb.) kaynaklanması ve kesilmesi için kullanılmaktadır. Ayrıca litografi makinelerinde de kullanılmaktadır. Karbondioksit lazeri optik fiberlerden iletilemez ve uzamsal optik yollar üzerinden ilerler. En eski Tongkuai (Termal Kaynak) yöntemleri nispeten iyi yapılmış ve birçok kesme ekipmanında kullanılmıştır;
YAG (ittriyum alüminyum garnet) lazeri: Neodim (Nd) veya itriyum (Yb) metal iyonlarıyla katkılanmış YAG kristalleri, 1,06 µm 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. Esas olarak darbe lazeri ise, sürekli çıkış elde edilemez; ancak optik fiberler aracılığıyla iletilebilir ve aynı zamanda metal malzemelerin emilim oranı artar ve yüksek yansıtıcılığa sahip malzemelerde, özellikle 3C alanında uygulanmaya başlanmıştır.
Fiber lazer: Piyasada şu anda yaygın olarak kullanılan fiber lazerler, 1060 nm dalga boyuna sahip iterbiyum katkılı fiberi kazanç ortamı olarak kullanmaktadır. Ortamın şekline göre fiber ve disk lazerler olarak further ayrılır; fiber optik IPG'yi, disk ise Tongkuai'yi temsil eder.
Yarı iletken lazer: Kazanç ortamı bir yarı iletken PN eklemidir ve yarı iletken lazerin dalga boyu esas olarak 976 nm'dir. Şu anda, yarı iletken yakın kızılötesi lazerler çoğunlukla kaplama uygulamalarında kullanılmakta olup, ışık noktaları 600 µm'nin üzerindedir. Laserline, yarı iletken lazerler alanında önde gelen bir kuruluştur.
Enerji etki biçimine göre sınıflandırılır: Darbeli lazer (PULSE), yarı sürekli lazer (QCW), sürekli lazer (CW)
Darbeli lazer: nanosaniye, pikosaniye, femtosaniye; bu yüksek frekanslı darbeli lazer (ns, darbe genişliği), genellikle yüksek tepe enerjisi ve yüksek frekans (MHz) işleme kapasitesine sahiptir ve çoğunlukla ince bakır ve alüminyum farklı malzemelerin işlenmesinde ve temizliğinde kullanılır. Yüksek tepe enerjisi kullanılarak, düşük işlem süresi ve küçük ısıdan etkilenen bölge ile temel malzemeyi hızla eritebilir. Ultra ince malzemelerin (0,5 mm'nin altında) işlenmesinde avantajları vardır;
Yarı sürekli lazer (QCW): Yüksek tekrarlama hızı ve düşük görev döngüsü ( %50'nin altında) nedeniyle, darbe genişliğiQCW lazer50 μs-50 ms'ye ulaşan bu lazer, kilovat seviyesindeki sürekli fiber lazer ile Q-anahtarlı darbeli lazer arasındaki boşluğu doldurur; yarı sürekli fiber lazerin tepe gücü, sürekli modda çalışırken ortalama gücün 10 katına ulaşabilir. QCW lazerler genellikle iki moda sahiptir: biri düşük güçte sürekli kaynak, diğeri ise ortalama gücün 10 katı tepe gücüne sahip darbeli lazer kaynağıdır. Bu sayede daha kalın malzemeler ve daha fazla ısı kaynağı elde edilirken, ısı da çok küçük bir aralıkta kontrol edilebilir.
Sürekli Lazer (CW): Bu en yaygın kullanılanıdır ve piyasada görülen lazerlerin çoğu, kaynak işlemi için sürekli olarak lazer ışını üreten CW lazerlerdir. Fiber lazerler, farklı çekirdek çaplarına ve ışın kalitelerine göre tek modlu ve çok modlu lazerler olarak ayrılır ve farklı uygulama senaryolarına uyarlanabilir.
Yayın tarihi: 20 Aralık 2023
