Мини нэвтэрхий толь бичиг: Лазер гагнуурын зарчим ба процессын хэрэглээ
Эрчим хүчний түвшин
Матери нь атомуудаас бүрддэг бөгөөд атомууд нь цөм болон электронуудаас бүрдэнэ. Электронууд цөмийг тойрон эргэлддэг. Атом дахь электронуудын энерги нь дур зоргоороо байдаггүй.
Микроскоп ертөнцийг дүрсэлдэг квант механик нь бидэнд электронууд тогтмол энергийн түвшинг эзэлдэг гэдгийг хэлдэг. Өөр өөр энергийн түвшин нь өөр өөр электрон энергитэй тохирч байдаг: цөмөөс хол орших тойрог замууд нь илүү өндөр энергитэй байдаг.
Үүнээс гадна, тойрог зам бүр хамгийн их тооны электроныг багтааж чадна. Жишээлбэл, хамгийн доод тойрог зам (цөмд хамгийн ойр) нь 2 хүртэлх электроныг багтааж чаддаг бол өндөр тойрог зам нь 8 хүртэлх электроныг багтааж чаддаг гэх мэт.
Шилжилт
Электронууд энергийг шингээх эсвэл ялгаруулах замаар нэг энергийн түвшингээс нөгөө түвшинд шилжиж чаддаг.
Жишээлбэл, электрон фотон шингээх үед энергийн доод түвшнээс өндөр түвшин рүү үсэрч болно. Үүнтэй адилаар, энергийн өндөр түвшинд байгаа электрон фотон ялгаруулснаар доод түвшин рүү унаж болно.
Эдгээр процессуудад шингээгдсэн эсвэл ялгарсан фотоны энерги нь хоёр түвшний хоорондох энергийн зөрүүтэй үргэлж тэнцүү байдаг. Фотоны энерги нь гэрлийн долгионы уртыг тодорхойлдог тул шингээгдсэн эсвэл ялгарсан гэрэл нь тогтмол өнгөтэй байдаг.
Лазер үүсгэх зарчим
Өдөөгдсөн шингээлт
Бага энергийн төлөвт байгаа атомууд гадны цацрагийг шингээж, өндөр энергийн төлөвт шилжих үед өдөөгдсөн шингээлт үүсдэг. Электронууд фотонуудыг шингээж авснаар бага энергийн түвшингээс өндөр энергийн түвшин рүү үсрэх боломжтой.
Өдөөгдсөн ялгаруулалт
Өдөөгдсөн ялгарал гэдэг нь фотоны “өдөөлт” эсвэл “индукцийн” нөлөөн дор өндөр энергийн түвшинд байгаа электронууд энергийн доод түвшинд шилжиж, туссан фотонтой ижил давтамжтай фотон ялгаруулдаг гэсэн үг юм.
Өдөөгдсөн ялгаралтын гол онцлог нь үүссэн фотон нь анхныхтай ижил: ижил давтамж, ижил чиглэл, огт ялгагдахгүй байдаг явдал юм. Ийм байдлаар нэг фотон нь нэг өдөөгдсөн ялгаралтын процессоор хоёр ижил фотон болж хувирдаг. Энэ нь гэрэл бэхждэг эсвэл олшруулдаг гэсэн үг бөгөөд энэ нь лазер үүсгэх үндсэн зарчим юм.
Аяндаа ялгарах ялгаруулалт
Өндөр энергийн түвшинд байгаа электронууд гадны нөлөөлөлгүйгээр доод түвшин рүү унаж, шилжилтийн үед гэрэл (цахилгаан соронзон цацраг) ялгаруулах үед аяндаа ялгарах явдал үүсдэг. Фотоны энерги нь хоёр түвшний хоорондох энергийн зөрүү болох E=E2−E1 юм.
Лазер үүсгэх нөхцөл
Лазерын өсөлтийн дунд
Лазер үүсгэхэд тохиромжтой олшруулалтын орчин шаардлагатай бөгөөд энэ нь хий, шингэн, хатуу эсвэл хагас дамжуулагч байж болно. Гол нь лазерын гаралтын зайлшгүй нөхцөл болох орчинд популяцийн инверсийг бий болгох явдал юм. Мета тогтворжсон энергийн түвшин нь популяцийн инверсэд маш их ашиг тустай байдаг.
Шахах эх үүсвэр
Популяцийн инверсийг бий болгохын тулд атомын систем нь дээд энергийн түвшинд байгаа бөөмсийн тоог нэмэгдүүлэхийн тулд өдөөгдөх ёстой.
Нийтлэг аргуудад дараахь зүйлс орно.
- Цахилгаан шахах: өндөр кинетик энергитэй электронуудыг ашиглан хийн ялгаруулалт
- Оптик шахуурга: импульсийн гэрлийн эх үүсвэрээр цацраг туяагаар цацруулах
- Дулааны шахуурга, химийн шахуурга гэх мэт.
Эдгээр аргуудыг нийтэд нь шахах гэж нэрлэдэг. Лазерын гаралтыг тогтвортой байлгахын тулд доод түвшингээс илүү олон бөөмийг дээд түвшинд байлгахын тулд тасралтгүй шахах шаардлагатай.
Резонатор
Тохиромжтой олшруулалтын орчин болон шахах эх үүсвэртэй бол популяцийн инверсийг хийж болох боловч өдөөгдсөн ялгаралтын эрчим нь практик хэрэглээнд хэтэрхий сул байна. Цаашдын олшруулалт шаардлагатай бөгөөд үүнийг оптик резонатороор хангадаг.
Оптик резонатор нь лазерын хоёр үзүүрт зэрэгцээ байрлуулсан хоёр өндөр тусгалтай тольноос бүрдэнэ:
- Нэг бүтэн тусгал толь
- Нэг хэсэгчилсэн тусгал ба хэсэгчилсэн дамжуулалтын толь
Бүрэн тусгал толь нь туссан бүх гэрлийг анхны замдаа буцааж тусгадаг. Хэсэгчилсэн тусгал толь нь тодорхой энергийн босгоос доош фотонуудыг орчин руу буцааж тусгадаг бол босгоос дээш фотонуудыг олшруулсан лазер гэрэл хэлбэрээр дамжуулдаг.
Гэрэл нь резонаторт урагш хойш хэлбэлзэж, өдөөгдсөн ялгаралтын гинжин урвалыг өдөөж, цасан нуран шиг олшрож, өндөр эрчимтэй лазер гаралтыг бий болгодог.
Насосны гэрэл гэж юу вэ?
Ксенон чийдэн нь ихэвчлэн шулуун хоолой хэлбэртэй, идэвхгүй хий ялгаруулах чийдэн юм. Энэ нь ерөнхийдөө электрод, кварц хоолой, дүүргэсэн ксенон (Xe) хийнээс бүрдэнэ.
Электродууд нь өндөр хайлах цэгтэй, электрон ялгаруулалтын өндөр үр ашигтай, бага цацралттай металлаар хийгдсэн. Дэнлүүний хоолой нь өндөр бат бэхтэй, өндөр температурт тэсвэртэй, өндөр дамжуулалттай кварц шилээр хийгдсэн бөгөөд ксенон хийгээр дүүргэгдсэн.
Nd:YAG лазер саваа гэж юу вэ?
Nd:YAG (Неодимоор хольсон иттрий хөнгөн цагаан анар) нь хамгийн түгээмэл хэрэглэгддэг хатуу лазер материал юм.
YAG нь өндөр хатуулагтай, маш сайн оптик чанартай, өндөр дулаан дамжуулалттай куб хэлбэртэй болор юм. Гурван валенттай неодим ионууд нь талст торны зарим гурван валенттай иттри ионуудыг орлодог тул неодимоор хольсон иттри хөнгөн цагаан анар гэж нэрлэгддэг.
Лазерын шинж чанарууд
Сайн уялдаа холбоо
Энгийн эх үүсвэрээс ирж буй гэрэл нь чиглэл, фаз, цаг хугацааны хувьд эмх замбараагүй бөгөөд линзтэй байсан ч нэг цэг дээр төвлөрч чадахгүй.
Лазер гэрэл нь маш когерент: цэвэр давтамжтай, төгс фазад ижил чиглэлд тархдаг бөгөөд өндөр төвлөрсөн энерги бүхий жижиг цэг дээр төвлөрч чаддаг.
Маш сайн чиглэлтэй
Лазер нь бусад гэрлийн эх үүсвэрээс хамаагүй илүү чиглэлтэй бөгөөд бараг л зэрэгцээ цацраг шиг ажилладаг. Сар руу чиглүүлсэн ч (ойролцоогоор 384,000 км-ийн зайд) толбоны диаметр нь ердөө 2 км орчим байдаг.
Сайн монохромат чанар
Өдөөгдсөн ялгаралтаас үүссэн лазер гэрэл нь маш нарийн давтамжийн хүрээтэй байдаг. Энгийнээр хэлбэл, лазер нь маш сайн монохромат чанартай байдаг - түүний "өнгө" нь маш цэвэр байдаг. Монохромат чанар нь лазер боловсруулалтын хэрэглээнд чухал ач холбогдолтой.
Өндөр тод байдал
Лазер гагнуур нь лазер туяаны маш сайн чиглэл болон өндөр чадлын нягтралыг ашигладаг. Лазерыг оптик системээр дамжуулан жижиг хэсэгт төвлөрүүлж, маш богино хугацаанд өндөр төвлөрсөн дулааны эх үүсвэр үүсгэж, материалыг хайлуулж, тогтвортой гагнуурын цэг болон оёдол үүсгэдэг.
Лазер гагнуурын давуу талууд
Бусад гагнуурын аргуудтай харьцуулахад лазер гагнуур нь дараахь зүйлийг санал болгодог.
- Өндөр энергийн концентраци, өндөр гагнуурын үр ашиг, өндөр нарийвчлал, гагнуурын гүн ба өргөний харьцаа өндөр.
- Дулааны оролт бага, халуунд өртсөн бүс бага, үлдэгдэл стресс ба деформаци хамгийн бага.
- Холбоо барихгүй гагнуур, уян хатан шилэн кабелийн дамжуулалт, сайн хүртээмжтэй, өндөр автоматжуулалттай.
- Уян хатан үений дизайн, түүхий эдийг хэмнэдэг.
- Нарийн хяналттай эрчим хүч, тогтвортой гагнуурын үр дүн, маш сайн гагнуурын төрх.
Металл материалын лазер гагнуурын процессууд
Зэвэрдэггүй ган
- Энгийн дөрвөлжин долгионы импульс ашиглан сайн үр дүнд хүрч болно.
- Гагнуурын цэгүүдийг металл бус материалаас хол байлгахын тулд холболтын зураг төсөл боловсруулах.
- Бат бөх, гадаад төрхийг хангахын тулд хангалттай гагнуурын талбай болон ажлын хэсгийн зузааныг нөөцөл.
- Гагнуурын явцад ажлын хэсгийн цэвэр байдал, хуурай орчинг хангах.
Хөнгөн цагаан хайлш
- Өндөр тусгал нь лазерын оргил хүчийг өндөр шаарддаг.
- Импульсийн цэгэн гагнуурын үед хагарал үүсэх хандлагатай тул бат бөх чанарыг бууруулдаг.
- Материалын найрлага нь цацагдахад хүргэж болзошгүй; өндөр чанартай түүхий эдийг ашиглана уу.
- Том толбоны хэмжээ болон урт импульсийн өргөнтэй бол илүү сайн үр дүн гарна.
Зэс ба зэсийн хайлш
- Хөнгөн цагаанаас илүү өндөр ойлт; бүр ч өндөр лазерын оргил хүч шаарддаг.
- Лазерын толгойг тодорхой өнцгөөр хазайлгах хэрэгтэй.
- Зэсийн хайлш (гууль, купроникель гэх мэт) нь хайлшийн элементүүдээс шалтгаалан гагнахад илүү хэцүү байдаг; параметрүүдийг сайтар сонгох шаардлагатай.
Лазер гагнуур ба шийдлүүдийн нийтлэг согогууд
Буруу параметрүүд эсвэл зохисгүй ажиллагаа нь ихэвчлэн гагнуурын согогийг үүсгэдэг, үүнд:
- Гадаргуугийн цацралт
- Дотоод гагнуурын сүвэрхэг чанар
- Гагнуурын хагарал
- Гагнуурын деформаци
Гагнуурын шүршигч
Лазерын хэт өндөр нягтрал нь голчлон хэт их эрчим хүчнээс үүдэлтэй байдаг: ажлын хэсэг нь богино хугацаанд хэт их энерги шингээж, улмаар материалын ууршилт болон хайлсан цөөрмийн хүчтэй урвалд хүргэдэг.
Шүршигч нь гадаад төрх байдал, угсралтын нарийвчлал, гагнуурын бат бөх чанарыг алдагдуулдаг.
Шалтгаан
- Хэт өндөр лазерын оргил хүч.
- Ялангуяа өндөр тусгалтай материалын хувьд гагнуурын долгионы хэлбэр тохиромжгүй.
- Материалын ялгарал нь орон нутгийн өндөр энерги шингээлтэд хүргэдэг.
- Ажлын материалын гадаргуу дээрх бохирдол эсвэл металл бус хольц.
- Ажлын хэсгүүдийн хооронд эсвэл доор хайлах температур багатай бодисууд нь гагнуурын явцад хий үүсгэдэг.
- Хийн тэлэлт болон цацрал үүсгэдэг хаалттай хөндий байгууламжууд.
Шийдлүүд
- Параметрүүдийг оновчтой болгох: оргил чадлыг бууруулах эсвэл огцом долгионы хэлбэрийг ашиглах.
- Чанартай, баталгаатай түүхий эдийг ашигла.
- Тос болон хольцыг арилгахын тулд гагнуурын өмнөх цэвэрлэгээг сайжруулна.
- Гагнуурын бүтцийн дизайныг оновчтой болгох.
Дотоод сүвэрхэг байдал
Лазер гагнуурын хамгийн түгээмэл согог бол нүх сүв юм. Хурдан дулааны мөчлөг болон хайлсан цөөрмийн богино ашиглалтын хугацаа нь хий гадагшлахаас сэргийлж, нүх сүв үүсгэдэг.
Нийтлэг төрлүүд: устөрөгчийн нүх сүв, нүүрстөрөгчийн дутуу ислийн нүх сүв, түлхүүрийн нүхний нуралтын нүх сүв.
Гагнуурын хагарал
Хагарал нь гагнуурын бат бөх чанар болон ашиглалтын хугацааг эрс бууруулдаг. Лазер гагнуурын хурдан халаалт болон хөргөлт нь хагарлын эрсдлийг нэмэгдүүлдэг.
Лазер гагнуурын ихэнх хагарал нь халуун хагарал бөгөөд хөнгөн цагаан хайлш болон өндөр нүүрстөрөгчийн / өндөр хайлштай ганд түгээмэл байдаг.
Урьдчилан сэргийлэх
- Хэврэг материалын хувьд хагарлыг багасгахын тулд урьдчилан халаах болон удаан хөргөх долгионы хэлбэрийг нэмнэ.
- Гагнуурын стрессийг бууруулахын тулд холболтын загварыг оновчтой болгох.
- Ижил төстэй гүйцэтгэлтэй үед хагарах хандлага багатай материалыг сонгоорой.
Гагнуурын деформаци
Деформаци нь ихэвчлэн нимгэн хуудас, том талбайтай ажлын хэсгүүд эсвэл олон цэгийн гагнуурын ажилд тохиолддог бөгөөд угсралт болон гүйцэтгэлд нөлөөлдөг. Энэ нь жигд бус дулааны оролт болон тогтворгүй дулааны тэлэлт / агшилтаас үүдэлтэй байдаг.
Шийдлүүд
- Дулааны оролтыг багасгахын тулд параметрүүдийг оновчтой болгох: импульсийн өргөнийг багасгахын зэрэгцээ оргил чадлыг нэмэгдүүлэх.
- Нэгж хугацаанд ногдох дулааныг багасгахын тулд гагнуурын хурд болон импульсийн давтамжийг багасгана.
- Жигд халаалтыг хангахын тулд гагнуурын дарааллыг оновчтой болго.
Нийтэлсэн цаг: 2026 оны 2-р сарын 25
