Лазер генерациясе принцибы

Ни өчен безгә лазерларның эш принцибын белергә кирәк?

Гадәти ярымүткәргеч лазерлар, җепселләр, дисклар һәм башкалар арасындагы аермаларны белү.YAG лазерышулай ук ​​сайлау процессында яхшырак аңлауга һәм күбрәк фикер алышуларга ярдәм итә ала.

Мәкалә, нигездә, популяр фәнгә багышланган: лазер генерациясе принцибына кыскача кереш, лазерларның төп структурасы һәм лазерларның берничә киң таралган төре.

Беренчедән, лазер генерациясе принцибы

Лазер яктылык һәм матдә арасындагы үзара бәйләнеш аша барлыкка килә, бу стимуллаштырылган нурланыш көчәйтүе дип атала; Стимуллаштырылган нурланыш көчәйтүне аңлау өчен Эйнштейнның үзеннән-үзе нурланыш, стимуллаштырылган сеңү һәм стимуллаштырылган нурланыш төшенчәләрен, шулай ук ​​кайбер кирәкле теоретик нигезләрне аңларга кирәк.

Теоретик нигез 1: Бор моделе

Бор моделе, нигездә, атомнарның эчке структурасын күрсәтә, лазерларның ничек барлыкка килүен аңлауны җиңеләйтә. Атом ядрәдән һәм ядрә тышындагы электроннардан тора, һәм электрон орбиталлары төрлечә түгел. Электроннарның билгеле бер орбиталлары гына бар, алар арасында иң эчке орбитал төп халәт дип атала; Әгәр электрон төп халәттә булса, аның энергиясе иң түбән. Әгәр электрон орбитадан сикереп чыкса, ул беренче кузгалган халәт дип атала, һәм беренче кузгалган халәтнең энергиясе төп халәттән югарырак булачак; Башка орбита икенче кузгалган халәт дип атала;

Лазерның барлыкка килү сәбәбе - бу модельдә электроннар төрле орбиталарда хәрәкәт итәчәк. Әгәр электроннар энергияне сеңдерсә, алар төп халәттән кузгалган халәткә күчә ала; әгәр электрон кузгалган халәттән төп халәткә кайтса, ул энергия бүлеп чыгара, ул еш кына лазер рәвешендә бүленеп чыга.

Теоретик нигез 2: Эйнштейнның стимуллаштырылган нурланыш теориясе

1917 елда Эйнштейн лазерлар һәм лазер җитештерү өчен теоретик нигез булган стимуллаштырылган нурланыш теориясен тәкъдим итте: матдәнең сеңүе яки чыгарылуы, нигездә, нурланыш кыры һәм матдәне тәшкил итүче кисәкчәләр арасындагы үзара бәйләнеш нәтиҗәсе, һәм аның төп асылы - кисәкчәләрнең төрле энергия дәрәҗәләре арасында күчүе. Яктылык һәм матдә арасындагы үзара бәйләнештә өч төрле процесс бар: үзеннән-үзе барлыкка килгән нурланыш, стимуллаштырылган нурланыш һәм стимуллаштырылган сеңү. Күп санлы кисәкчәләрне үз эченә алган система өчен бу өч процесс һәрвакыт бергә яши һәм тыгыз бәйләнгән.

Үзеннән-үзе барлыкка килгән нурланыш:

Рәсемдә күрсәтелгәнчә: югары энергияле E2 дәрәҗәсендәге электрон үзеннән-үзе түбән энергияле E1 дәрәҗәсенә күчә һәм hv энергияле фотон чыгара, һәм hv=E2-E1; Бу үзеннән-үзе һәм бәйләнешсез күчү процессы үзеннән-үзе күчү дип атала, ә үзеннән-үзе күчүләр белән чыгарылган яктылык дулкыннары үзеннән-үзе нурланыш дип атала.

Үзеннән-үзе барлыкка килгән нурланыш үзенчәлекләре: Һәр фотон бәйсез, төрле юнәлешләр һәм фазалар белән, һәм барлыкка килү вакыты да очраклы. Ул когерент булмаган һәм хаотик яктылыкка карый, бу лазер өчен кирәк булган яктылык түгел. Шуңа күрә лазер генерацияләү процессы бу төрдәге адашкан яктылыкны киметергә тиеш. Бу шулай ук ​​төрле лазерларның дулкын озынлыгында адашкан яктылык булуның бер сәбәбе. Әгәр яхшы контрольдә тотылса, лазердагы үзеннән-үзе барлыкка килгән нурланыш нисбәтен исәпкә алмаска мөмкин. Лазер ни дәрәҗәдә чистарак булса, мәсәлән, 1060 нм, ул барысы да 1060 нм. Бу төр лазер чагыштырмача тотрыклы сеңдерү тизлегенә һәм көченә ия.

Стимуллаштырылган сеңү:

Түбән энергия дәрәҗәләрендәге (түбән орбитальләр) электроннар, фотоннарны йотканнан соң, югарырак энергия дәрәҗәләренә (югары орбитальләр) күчәләр, һәм бу процесс стимуллаштырылган абсорбция дип атала. Стимуллаштырылган абсорбция бик мөһим һәм төп насослау процессларының берсе. Лазерның насос чыганагы фотон энергиясен бирә, ул кисәкчәләрнең көчәйтү мохитендәге күчүенә һәм югарырак энергия дәрәҗәләрендә стимуллаштырылган нурланыш көтүенә китерә, лазер чыгара.

Стимуллаштырылган нурланыш:

Тышкы энергия (hv=E2-E1) яктылыгы белән нурландырылганда, югары энергия дәрәҗәсендәге электрон тышкы фотон белән кузгатыла һәм түбән энергия дәрәҗәсенә сикерә (югары орбита түбән орбитага бара). Шул ук вакытта ул тышкы фотон белән төгәл бер үк фотон чыгара. Бу процесс башлангыч кузгатылу яктылыгын йотмый, шуңа күрә ике бер үк фотон булачак, моны электрон элек йотылган фотонны чыгаруы дип аңларга мөмкин. Бу люминесценция процессы стимуллаштырылган нурланыш дип атала, ул стимуллаштырылган йотуның кире процессы.

Теория ачыкланганнан соң, югарыдагы рәсемдә күрсәтелгәнчә, лазер төзү бик гади: материалның гадәти тотрыклылык шартларында электроннарның күпчелеге төп хәлдә, электроннар төп хәлдә, ә лазер стимуллаштырылган нурланышка бәйле. Шуңа күрә лазерның структурасы башта стимуллаштырылган сеңүнең барлыкка килүен тәэмин итү, электроннарны югары энергия дәрәҗәсенә җиткерү, аннары күп санлы югары энергия дәрәҗәсендәге электроннарны стимуллаштырылган нурланышка дучар итү өчен кузгату тәэмин итү, фотоннарны чыгару. Моннан лазер барлыкка килергә мөмкин. Аннары без лазер структурасы белән таныштырачакбыз.

Лазер структурасы:

Лазер структурасын берәмтекләп алда искә алынган лазер генерациясе шартлары белән туры китерегез:

Килеп чыгу шарты һәм аңа туры килә торган структура:

1. Лазер эшче мохите буларак көчәйтү эффектын тәэмин итүче көчәйтү мохите бар, һәм аның активлаштырылган кисәкчәләре стимуллаштырылган нурланыш тудыру өчен яраклы энергия дәрәҗәсе структурасына ия (нигездә, электроннарны югары энергияле орбитальләргә куып чыгара һәм билгеле бер вакыт эчендә яши ала, аннары стимуллаштырылган нурланыш аша бер сулышта фотоннар чыгара ала);

2. Тышкы кузгату чыганагы (насос чыганагы) бар, ул электроннарны аскы дәрәҗәдән югары дәрәҗәгә насослый ала, лазерның югары һәм аскы дәрәҗәләре арасында кисәкчәләр санының инверсиясенә китерә (ягъни, түбән энергияле кисәкчәләргә караганда югары энергияле кисәкчәләр күбрәк булганда), мәсәлән, YAG лазерларындагы ксенон лампасы;

3. Лазер тирбәнешенә ирешә, лазер эш материалының эш озынлыгын арттыра, яктылык дулкыны режимын экранлый, нурның таралу юнәлешен контрольдә тота, монохроматлыкны яхшырту өчен стимуллаштырылган нурланыш ешлыгын сайлап көчәйтә ала торган резонанслы куышлык бар (лазерның билгеле бер энергиядә чыгарылуын тәэмин итә).

Тиешле структура югарыдагы рәсемдә күрсәтелгән, ул YAG лазерының гади структурасы. Башка структуралар катлаулырак булырга мөмкин, ләкин төп нигез менә монда. Лазер генерацияләү процессы рәсемдә күрсәтелгән:

Лазер классификациясе: гадәттә көчәйтү мохите яки лазер энергиясе формасы буенча классификацияләнә

Уртача классификацияне арттыру:

Углекислый газ лазерыУглерод диоксиды лазерының көчәйтү мохите гелий һәмCO2 лазеры,10,6 мкм лазер дулкын озынлыгы белән, бу чыгарыла башлаган иң беренче лазер продуктларының берсе. Иртә лазер белән эретеп ябыштыру, нигездә, углерод диоксиды лазерына нигезләнгән иде, ул хәзерге вакытта нигездә металл булмаган материалларны (тукыма, пластик, агач һ.б.) эретеп ябыштыру һәм кисү өчен кулланыла. Моннан тыш, ул литография машиналарында да кулланыла. Углерод диоксиды лазеры оптик җепселләр аша үткәрелми һәм киңлек оптик юллары аша үтә. Иң иртә Тонгкуай чагыштырмача яхшы эшләнгән, һәм күп кисү җиһазлары кулланылган;

YAG (иттрий алюминий гранаты) лазеры: лазер көчәйтү мохите буларак неодим (Nd) яки иттрий (Yb) металл ионнары белән кушылган YAG кристаллары кулланыла, аларның нурланыш озынлыгы 1,06 мкм. YAG лазеры югарырак импульслар чыгара ала, ләкин уртача куәт түбән, һәм пик көче уртача куәттән 15 тапкыр артыграк була ала. Әгәр ул, нигездә, импульслы лазер булса, өзлексез чыгаруга ирешеп булмый; ләкин ул оптик җепселләр аша тапшырылырга мөмкин, һәм шул ук вакытта металл материалларның сеңү тизлеге арта, һәм ул югары чагылдыручанлык материалларында кулланыла башлый, башта 3C кырында кулланыла;

Җепсел лазер: Хәзерге вакытта базардагы төп агым 1060 нм дулкын озынлыгы белән көчәйтү мохите буларак иттербий белән кушылган җепсел куллана. Ул мохитнең формасына карап, җепсел лазерларга һәм диск лазерларына бүленә; җепсел оптика IPGны, ә диск Тонгкуайны аңлата.

Ярымүткәргеч лазер: Көчәйтү мохите - ярымүткәргеч PN тоташуы, һәм ярымүткәргеч лазерның дулкын озынлыгы, нигездә, 976 нм. Хәзерге вакытта ярымүткәргечкә якын инфракызыл лазерлар, нигездә, 600 мкм дан артык яктылык нокталары белән каплау өчен кулланыла. Laserline - ярымүткәргеч лазерларның вәкиллекле предприятиесе.

Энергия тәэсире формасы буенча классификацияләнә: Импульс лазеры (PULSE), квазиүзлекле лазер (QCW), өзлексез лазер (CW)

Импульс лазеры: наносекунд, пикосекунд, фемтосекунд, бу югары ешлыклы импульс лазеры (ns, импульс киңлеге) еш кына югары пик энергиясенә, югары ешлыклы (MHZ) эшкәртүгә ирешә ала, ул нечкә бакыр һәм алюминийдан төрле материалларны эшкәртү өчен кулланыла, шулай ук ​​күбесенчә чистарту өчен кулланыла. Югары пик энергиясен кулланып, ул төп материалны тиз эретә ала, түбән эш вакыты һәм кечкенә җылылык тәэсир зонасы белән. Ул ультра нечкә материалларны (0,5 мм дан кимрәк) эшкәртүдә өстенлекләргә ия;

Квази өзлексез лазер (QCW): югары кабатлау дәрәҗәсе һәм түбән эш циклы (50% тан түбән) аркасында импульс киңлегеQCW лазеры50 мкс-50 мс ка җитә, киловатт дәрәҗәсендәге өзлексез җепсел лазер һәм Q-коммутаторлы импульслы лазер арасындагы бушлыкны тутыра; квазиөзлексез җепсел лазерның иң югары көче өзлексез режимда эшләү вакытында уртача көчтән 10 тапкыр артыгракка җитә ала. QCW лазерларының гадәттә ике режимы бар, берсе - түбән көчтә өзлексез эретеп ябыштыру, икенчесе - уртача көчтән 10 тапкыр артыграк импульслы лазер эретеп ябыштыру, бу калынрак материалларга һәм күбрәк җылылык белән эретеп ябыштыруга ирешергә мөмкинлек бирә, шул ук вакытта җылылыкны бик кечкенә диапазонда контрольдә тота;

Өзлексез лазер (ӨЛЛ): Бу иң еш кулланыла торган лазер, һәм базарда күрелгән лазерларның күбесе - эретеп ябыштыру эшкәртү өчен өзлексез лазер чыгара торган ӨЛЛЛ лазерлары. Җепсел лазерлар төрле үзәк диаметрлары һәм нур сыйфатлары буенча бер режимлы һәм күп режимлы лазерларга бүленә, һәм аларны төрле куллану сценарийларына җайлаштырырга мөмкин.