Лазер үүсгэх зарчим

Бид яагаад лазерын зарчмыг мэдэх хэрэгтэй байна вэ?

Нийтлэг хагас дамжуулагч лазер, утас, дискний ялгааг мэдэхYAG лазерМөн сонгон шалгаруулалтын явцад илүү сайн ойлголттой болж, илүү олон хэлэлцүүлэгт оролцоход тусална.

Нийтлэлд голчлон алдартай шинжлэх ухаанд анхаарлаа хандуулдаг: лазер үүсгэх зарчим, лазерын үндсэн бүтэц, хэд хэдэн түгээмэл төрлийн лазеруудын товч танилцуулга.

Нэгдүгээрт, лазер үүсгэх зарчим

Лазер нь өдөөгдсөн цацрагийн олшруулалт гэж нэрлэгддэг гэрэл ба бодисын харилцан үйлчлэлээр үүсдэг; Өдөөгдсөн цацрагийн олшруулалтыг ойлгохын тулд Эйнштейний аяндаа ялгарах ялгаралт, идэвхжсэн шингээлт, өдөөгдсөн цацрагийн тухай ойлголт, түүнчлэн зарим шаардлагатай онолын үндэслэлүүдийг ойлгох шаардлагатай.

Онолын үндэслэл 1: Бор загвар

Бор загвар нь атомын дотоод бүтцийг голчлон харуулдаг тул лазер хэрхэн үүсдэгийг ойлгоход хялбар болгодог. Атом нь цөм ба цөмийн гаднах электронуудаас бүрдэх ба электронуудын орбиталууд дур зоргоороо байдаггүй. Электронууд нь зөвхөн тодорхой тойрог замтай байдаг бөгөөд тэдгээрийн дотор хамгийн дотоод тойрог замыг үндсэн төлөв гэж нэрлэдэг; Хэрэв электрон үндсэн төлөвт байгаа бол түүний энерги хамгийн бага байна. Хэрэв электрон тойрог замаас үсэрвэл түүнийг эхний өдөөгдсөн төлөв гэж нэрлэдэг бөгөөд эхний өдөөгдсөн төлөвийн энерги нь үндсэн төлөвөөс өндөр байх болно; Өөр нэг тойрог замыг хоёр дахь өдөөгдсөн төлөв гэж нэрлэдэг;

Лазер яагаад үүсч болох вэ гэвэл энэ загварт электронууд өөр өөр тойрог замд шилжих болно. Хэрэв электронууд энергийг шингээдэг бол тэдгээр нь үндсэн төлөвөөс өдөөгдсөн төлөвт шилжих боломжтой; Хэрэв электрон өдөөгдсөн төлөвөөс үндсэн төлөв рүү буцаж ирвэл энерги ялгарах бөгөөд энэ нь ихэвчлэн лазер хэлбэрээр ялгардаг.

Онолын үндэслэл 2: Эйнштейний өдөөгдсөн цацрагийн онол

1917 онд Эйнштейн лазер болон лазер үйлдвэрлэх онолын үндэс болсон өдөөгдсөн цацрагийн онолыг дэвшүүлсэн: бодисын шингээлт эсвэл ялгаралт нь үндсэндээ цацрагийн орон ба бодисыг бүрдүүлдэг бөөмс ба түүний цөм хоорондын харилцан үйлчлэлийн үр дүн юм. мөн чанар нь янз бүрийн энергийн түвшний хооронд бөөмсийн шилжилт юм. Гэрэл ба бодисын харилцан үйлчлэлийн гурван өөр процесс байдаг: аяндаа ялгарах, өдөөгдсөн ялгаралт, өдөөгдсөн шингээлт. Олон тооны бөөмс агуулсан системийн хувьд эдгээр гурван процесс үргэлж зэрэгцэн оршдог бөгөөд хоорондоо нягт холбоотой байдаг.

Аяндаа ялгарах ялгаралт:

Зурагт үзүүлснээр: өндөр энергитэй E2 түвшний электрон нь бага энергитэй E1 түвшинд аяндаа шилжиж, hv энергитэй фотоныг ялгаруулж, hv=E2-E1; Энэхүү аяндаа болон харилцан хамааралгүй шилжилтийн процессыг аяндаа шилжилт гэж нэрлэдэг ба аяндаа шилжилтийн үед ялгарах гэрлийн долгионыг аяндаа цацраг гэж нэрлэдэг.

Аяндаа ялгарах шинж чанарууд: Фотон бүр бие даасан, өөр өөр чиглэл, үе шаттай, үүсэх хугацаа нь бас санамсаргүй байдаг. Энэ нь лазерын шаардлагатай гэрэл биш, уялдаа холбоогүй, эмх замбараагүй гэрэлд хамаардаг. Тиймээс лазер үүсгэх процесс нь энэ төрлийн төөрсөн гэрлийг багасгах шаардлагатай. Энэ нь янз бүрийн лазерын долгионы урт нь тэнэмэл гэрэлтэй байдаг шалтгаануудын нэг юм. Хэрэв сайн хяналттай бол лазер дахь аяндаа ялгарах хэмжээг үл тоомсорлож болно. 1060 нм гэх мэт лазер нь цэвэр байх тусам 1060 нм, Энэ төрлийн лазер нь харьцангуй тогтвортой шингээлтийн хурд, хүч чадалтай байдаг.

Өдөөгдсөн шингээлт:

Бага энергийн түвшинд (бага тойрог замд) электронууд фотоныг шингээсний дараа илүү өндөр энергийн түвшинд (өндөр орбитал) шилждэг бөгөөд энэ процессыг өдөөгдсөн шингээлт гэж нэрлэдэг. Өдөөгдсөн шингээлт нь маш чухал бөгөөд шахах гол процессуудын нэг юм. Лазерын насосны эх үүсвэр нь фотоны энергийг өгч, олз авах орчин дахь бөөмсийг шилжүүлж, илүү өндөр энергийн түвшинд өдөөгдсөн цацрагийг хүлээж, лазерыг ялгаруулдаг.

Өдөөгдсөн цацраг туяа:

Гадны энергийн гэрлээр (hv=E2-E1) цацраг туяарах үед энергийн өндөр түвшинд байгаа электрон нь гадаад фотоноор өдөөгдөж, бага энергийн түвшинд үсэрдэг (өндөр тойрог зам нь бага тойрог зам руу гүйдэг). Үүний зэрэгцээ гаднах фотонтой яг адилхан фотоныг ялгаруулдаг. Энэ процесс нь анхны өдөөх гэрлийг шингээдэггүй тул хоёр ижил фотон байх бөгөөд үүнийг электрон өмнө нь шингээж авсан фотоныг цацаж байгаа гэж ойлгож болно. Энэ гэрэлтэх процессыг өдөөгдсөн шингээлтийн урвуу үйл явц болох өдөөгдсөн цацраг гэж нэрлэдэг.

Онол тодорхой болсны дараа лазерыг бүтээх нь дээрх зурагт үзүүлсэн шиг маш энгийн: материалын тогтвортой байдлын хэвийн нөхцөлд электронуудын дийлэнх нь үндсэн төлөвт, электронууд үндсэн төлөвт, лазер нь өдөөгдсөн цацраг туяа. Тиймээс лазерын бүтэц нь эхлээд өдөөгдсөн шингээлтийг бий болгож, электроныг өндөр энергийн түвшинд хүргэж, дараа нь өдөөгдсөн өндөр энергийн түвшний олон тооны электроныг өдөөгдсөн цацраг туяанд оруулж, фотоныг ялгаруулж өгөх явдал юм. лазер үүсгэж болно. Дараа нь бид лазерын бүтцийг танилцуулах болно.

Лазер бүтэц:

Лазерын бүтцийг өмнө дурьдсан лазер үүсгэх нөхцөлтэй нэг нэгээр нь тохируулна уу.

Үүссэн нөхцөл ба холбогдох бүтэц:

1. Лазерын ажлын орчин болгон олшруулах нөлөө үзүүлдэг өсгөлтийн орчин байдаг ба түүний идэвхжсэн хэсгүүд нь өдөөгдсөн цацраг үүсгэхэд тохиромжтой энергийн түвшний бүтэцтэй байдаг (гол төлөв өндөр энергитэй тойрог замд электронуудыг шахаж, тодорхой хугацаанд оршин тогтнох чадвартай). , дараа нь өдөөгдсөн цацраг туяагаар нэг амьсгалаар фотоныг суллана);

2. Лазерын дээд ба доод түвшний хооронд бөөмийн тоог урвуу үүсгэдэг (өөрөөр хэлбэл, илүү өндөр энергитэй бөөмс байгаа үед) доод түвшнээс дээд түвшинд электронуудыг шахаж чадах гадаад өдөөх эх үүсвэр (насосны эх үүсвэр) байдаг. бага энергитэй тоосонцор), жишээ нь YAG лазер дахь ксенон чийдэн;

3. Лазерын хэлбэлзлийг бий болгох, лазерын ажлын материалын ажлын уртыг нэмэгдүүлэх, гэрлийн долгионы горимыг шалгах, цацрагийн тархалтын чиглэлийг хянах, монохромат байдлыг сайжруулахын тулд өдөөгдсөн цацрагийн давтамжийг сонгон өсгөх боломжтой резонансын хөндий байдаг. лазер нь тодорхой эрчим хүчээр гардаг).

Харгалзах бүтцийг дээрх зурагт үзүүлсэн бөгөөд энэ нь YAG лазерын энгийн бүтэц юм. Бусад бүтэц нь илүү төвөгтэй байж болох ч гол нь энэ юм. Лазер үүсгэх үйл явцыг зурагт үзүүлэв.

Лазерын ангилал: ерөнхийдөө ололтын орчин эсвэл лазерын энерги хэлбэрээр ангилдаг

Олз дунд зэргийн ангилал:

Нүүрстөрөгчийн давхар ислийн лазер: Нүүрстөрөгчийн давхар ислийн лазерын ашигт орчин нь гелий баCO2 лазер,10.6 um лазер долгионы урттай бөгөөд энэ нь хамгийн анхны лазерын бүтээгдэхүүнүүдийн нэг юм. Эртний лазер гагнуур нь голчлон нүүрстөрөгчийн давхар ислийн лазер дээр суурилж байсан бөгөөд одоогоор металл бус материалыг (даавуу, хуванцар, мод гэх мэт) гагнах, огтлоход ашигладаг. Үүнээс гадна литографийн машинд бас ашиглагддаг. Нүүрстөрөгчийн давхар ислийн лазер нь оптик утаснуудаар дамжих боломжгүй бөгөөд орон зайн оптик замаар дамждаг. Хамгийн эртний Тонгкуай харьцангуй сайн хийгдсэн бөгөөд маш олон зүсэх төхөөрөмж ашигласан;

YAG (иттриум хөнгөн цагаан анар) лазер: Неодим (Nd) эсвэл иттри (Yb) металлын ионоор дүүргэсэн YAG талстыг лазерын өсгөлтийн орчин болгон ашигладаг бөгөөд 1.06 um цацрагийн долгионы урттай. YAG лазер нь илүү өндөр импульс гаргаж чаддаг боловч дундаж хүч нь бага, оргил хүч нь дундаж хүчнээс 15 дахин их байдаг. Хэрэв энэ нь голчлон импульсийн лазер бол тасралтгүй гаралтанд хүрэх боломжгүй; Гэхдээ энэ нь оптик утаснуудаар дамжих боломжтой бөгөөд үүнтэй зэрэгцэн металл материалын шингээлтийн хурд нэмэгдэж, 3С талбарт анх хэрэглэсэн өндөр тусгалтай материалд хэрэглэж эхэлж байна;

Шилэн лазер: Зах зээл дээрх одоогийн гол урсгал нь 1060 нм долгионы урттай итербиум агуулсан эслэгийг олж авах орчин болгон ашигладаг. Энэ нь цаашлаад орчны хэлбэрээс хамааран шилэн ба дискний лазерд хуваагддаг; Шилэн кабель нь IPG-г, харин диск нь Тонгкуайг төлөөлдөг.

Хагас дамжуулагч лазер: Олж авах орчин нь хагас дамжуулагч PN уулзвар бөгөөд хагас дамжуулагч лазерын долгионы урт нь голчлон 976нм байна. Одоогийн байдлаар хагас дамжуулагчтай хэт улаан туяаны лазерыг ихэвчлэн 600 um-ээс дээш гэрлийн толбо бүхий бүрхүүлд ашигладаг. Laserline бол хагас дамжуулагч лазерын төлөөлөл юм.

Эрчим хүчний үйл ажиллагааны хэлбэрээр ангилдаг: Пульс лазер (PULSE), бараг тасралтгүй лазер (QCW), тасралтгүй лазер (CW)

Импульсийн лазер: наносекунд, пикосекунд, фемтосекунд, энэхүү өндөр давтамжийн импульсийн лазер (ns, импульсийн өргөн) нь ихэвчлэн өндөр оргил эрчим хүч, өндөр давтамжийн (MHZ) боловсруулалтанд хүрч, нимгэн зэс, хөнгөн цагааны ялгаатай материалыг боловсруулах, түүнчлэн ихэвчлэн цэвэрлэхэд ашигладаг. . Өндөр оргил энергийг ашигласнаар үндсэн материалыг хурдан хайлуулж, үйл ажиллагааны хугацаа бага, халуунд өртсөн бүс багатай. Энэ нь хэт нимгэн материалыг боловсруулахад давуу талтай (0.5 мм-ээс бага);

Бараг тасралтгүй лазер (QCW): Өндөр давталтын хурд, ажлын мөчлөг бага (50% -иас бага) зэргээс шалтгаалан импульсийн өргөнQCW лазер50 us-50 ms хүрч, киловаттын түвшний тасралтгүй шилэн лазер ба Q-шилжсэн импульсийн лазер хоорондын зайг дүүргэх; Тасралтгүй горимд ажиллах үед бараг тасралтгүй шилэн лазерын дээд хүч нь дундаж хүчнээс 10 дахин их чадалтай. QCW лазерууд нь ерөнхийдөө хоёр горимтой бөгөөд нэг нь бага хүчээр тасралтгүй гагнуур хийх, нөгөө нь дундаж хүчнээс 10 дахин их хүч чадалтай импульсийн лазер гагнуур бөгөөд энэ нь зузаан материал, илүү их дулаан гагнуур хийх боломжтой бөгөөд дулааныг хянах боломжтой. маш бага хүрээ;

Тасралтгүй лазер (CW): Энэ нь хамгийн түгээмэл хэрэглэгддэг бөгөөд зах зээл дээр гарч буй ихэнх лазерууд нь гагнуурын боловсруулалтанд тасралтгүй лазер гаргадаг CW лазерууд юм. Шилэн лазерууд нь өөр өөр диаметр, цацрагийн чанараас хамааран нэг горим ба олон горимт лазер гэж хуваагддаг бөгөөд өөр өөр хэрэглээний хувилбарт тохируулж болно.