Лазер үүсгэх зарчим

Бид яагаад лазерын зарчмыг мэдэх хэрэгтэй вэ?

Нийтлэг хагас дамжуулагч лазер, шилэн кабель, диск болон бусад лазеруудын ялгааг мэдэхYAG лазермөн сонгон шалгаруулалтын явцад илүү сайн ойлголттой болж, илүү их хэлэлцүүлэг өрнүүлэхэд тусалж чадна.

Энэ нийтлэл нь голчлон түгээмэл шинжлэх ухаанд анхаарлаа хандуулдаг: лазер үүсгэх зарчим, лазерын үндсэн бүтэц, хэд хэдэн түгээмэл төрлийн лазерын товч танилцуулга.

Нэгдүгээрт, лазер үүсгэх зарчим

Лазер нь гэрэл ба материйн харилцан үйлчлэлээр үүсдэг бөгөөд үүнийг өдөөгдсөн цацрагийн олшруулалт гэж нэрлэдэг; Өдөөгдсөн цацрагийн олшруулалт гэдэг нь Эйнштейний аяндаа ялгарах, өдөөгдсөн шингээлт, өдөөгдсөн цацрагийн тухай ойлголтууд, мөн зарим шаардлагатай онолын үндэслэлийг ойлгохыг шаарддаг.

Онолын үндэслэл 1: Борын загвар

Борын загвар нь голчлон атомын дотоод бүтцийг харуулдаг бөгөөд лазер хэрхэн үүсдэгийг ойлгоход хялбар болгодог. Атом нь цөм болон цөмийн гаднах электронуудаас бүрддэг бөгөөд электронуудын орбиталууд нь дур зоргоороо байдаггүй. Электронууд зөвхөн тодорхой орбиталуудтай байдаг бөгөөд тэдгээрийн хамгийн дотор орбиталуудыг үндсэн төлөв гэж нэрлэдэг; Хэрэв электрон үндсэн төлөвт байвал түүний энерги хамгийн бага байдаг. Хэрэв электрон тойрог замаас үсрэн гарвал 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 гарч ирдэг шалтгаан нь энэ загварт электронууд өөр өөр тойрог замд хөдөлдөгтэй холбоотой юм. Хэрэв электронууд энерги шингээвэл үндсэн төлөвөөс өдөөгдсөн төлөв рүү шилжиж болно; Хэрэв электрон өдөөгдсөн төлөвөөс үндсэн төлөв рүү буцаж ирвэл энерги ялгаруулдаг бөгөөд энэ нь ихэвчлэн лазер хэлбэрээр ялгардаг.

Онолын үндэслэл 2: Эйнштейний өдөөгдсөн цацрагийн онол

1917 онд Эйнштейн лазер болон лазер үйлдвэрлэлийн онолын үндэс суурь болох өдөөгдсөн цацрагийн онолыг дэвшүүлсэн: бодисын шингээлт буюу ялгаруулалт нь үндсэндээ цацрагийн талбар болон материалыг бүрдүүлдэг бөөмсийн харилцан үйлчлэлийн үр дүн бөгөөд түүний гол мөн чанар нь бөөмсийн энергийн өөр өөр түвшин хоорондын шилжилт юм. Гэрэл ба бодисын харилцан үйлчлэлд гурван өөр процесс байдаг: аяндаа ялгаруулалт, өдөөгдсөн ялгаруулалт, өдөөгдсөн шингээлт. Олон тооны бөөм агуулсан системийн хувьд эдгээр гурван процесс үргэлж зэрэгцэн оршиж, нягт холбоотой байдаг.

Аяндаа ялгарах ялгаруулалт:

Зурагт үзүүлсэнчлэн: өндөр энергийн түвшин E2 дээрх электрон аяндаа бага энергийн түвшин E1 рүү шилжиж, hv энергитэй фотон ялгаруулдаг бөгөөд hv=E2-E1; Энэхүү аяндаа болон холбоогүй шилжилтийн процессыг аяндаа шилжилт гэж нэрлэдэг бөгөөд аяндаа шилжилтээр ялгардаг гэрлийн долгионыг аяндаа цацраг гэж нэрлэдэг.

Аяндаа ялгарах цацрагийн шинж чанарууд: Фотон бүр бие даасан, өөр өөр чиглэл, үе шаттай бөгөөд үүсэх хугацаа нь санамсаргүй байдаг. Энэ нь лазерт шаардлагатай гэрэл биш, ойлгомжгүй, эмх замбараагүй гэрэлд хамаардаг. Тиймээс лазер үүсгэх процесс нь энэ төрлийн тэнэмэл гэрлийг багасгах шаардлагатай. Энэ нь мөн янз бүрийн лазеруудын долгионы урт нь тэнэмэл гэрэлтэй байдаг шалтгаануудын нэг юм. Хэрэв сайн хянагдсан бол лазер дахь аяндаа ялгарах цацрагийн эзлэх хувийг үл тоомсорлож болно. 1060 нм гэх мэт лазер илүү цэвэр байх тусам бүгд 1060 нм байна. Энэ төрлийн лазер нь харьцангуй тогтвортой шингээлтийн хурд болон чадалтай байдаг.

Өдөөгдсөн шингээлт:

Бага энергийн түвшинд (бага орбитал) байгаа электронууд фотонуудыг шингээсний дараа илүү өндөр энергийн түвшинд (өндөр орбитал) шилждэг бөгөөд энэ процессыг өдөөгдсөн шингээлт гэж нэрлэдэг. Өдөөгдсөн шингээлт нь чухал бөгөөд гол шахах процессуудын нэг юм. Лазерын шахуургын эх үүсвэр нь фотоны энергийг өгч, олшруулах орчин дахь бөөмсийг шилжилтэд оруулж, илүү өндөр энергийн түвшинд өдөөгдсөн цацрагийг хүлээж, лазер ялгаруулдаг.

Өдөөгдсөн цацраг туяа:

Гадаад энергийн гэрлээр (hv=E2-E1) шарагдахад өндөр энергийн түвшинд байгаа электрон нь гадаад фотоноор өдөөгдөж, бага энергийн түвшин рүү үсэрдэг (өндөр тойрог зам нь бага тойрог зам руу чиглэдэг). Үүний зэрэгцээ энэ нь гадаад фотонтой яг адилхан фотон ялгаруулдаг. Энэ процесс нь анхны өдөөлтийн гэрлийг шингээдэггүй тул хоёр ижил фотон байх бөгөөд үүнийг электрон өмнө нь шингээсэн фотоныг ялгаруулдаг гэж ойлгож болно. Энэхүү гэрэлтэх процессыг өдөөгдсөн цацраг гэж нэрлэдэг бөгөөд энэ нь өдөөгдсөн шингээлтийн урвуу процесс юм.

Онол тодорхой болсны дараа дээрх зурагт үзүүлсэн шиг лазер бүтээх нь маш энгийн: материалын тогтвортой байдлын хэвийн нөхцөлд электронуудын дийлэнх нь үндсэн төлөвт, электронууд үндсэн төлөвт, лазер нь өдөөгдсөн цацрагаас хамаардаг. Тиймээс лазерын бүтэц нь эхлээд өдөөгдсөн шингээлтийг бий болгож, электронуудыг өндөр энергийн түвшинд хүргэж, дараа нь олон тооны өндөр энергийн түвшний электронуудыг өдөөгдсөн цацрагт оруулж, фотонуудыг ялгаруулах өдөөлтийг бий болгох явдал юм. Үүнээс лазер үүсгэж болно. Дараа нь бид лазерын бүтцийг танилцуулах болно.

Лазер бүтэц:

Лазерын бүтцийг өмнө дурдсан лазер үүсгэх нөхцөлтэй нэг нэгээр нь тохируулна уу:

Үүссэн нөхцөл байдал болон харгалзах бүтэц:

1. Лазерын ажлын орчин болгон олшруулах нөлөө үзүүлдэг олшруулах орчин байдаг бөгөөд түүний идэвхжүүлсэн хэсгүүд нь өдөөгдсөн цацраг үүсгэхэд тохиромжтой энергийн түвшний бүтэцтэй байдаг (голчлон өндөр энергитэй тойрог зам руу электронуудыг шахаж, тодорхой хугацаанд оршин тогтнох чадвартай, дараа нь өдөөгдсөн цацрагаар нэг амьсгалаар фотонуудыг ялгаруулдаг);

2. YAG лазерын ксенон чийдэн гэх мэт доод түвшнээс дээд түвшин рүү электронуудыг шахаж, лазерын дээд ба доод түвшний хооронд бөөмийн тооны урвуу өөрчлөлтийг үүсгэдэг (өөрөөр хэлбэл бага энергитэй бөөмсөөс илүү өндөр энергитэй бөөмс байгаа үед) гадаад өдөөлтийн эх үүсвэр (шахуургын эх үүсвэр) байдаг;

3. Лазерын хэлбэлзлийг бий болгох, лазерын ажлын материалын ажлын уртыг нэмэгдүүлэх, гэрлийн долгионы горимыг хаах, цацрагийн тархалтын чиглэлийг хянах, өдөөгдсөн цацрагийн давтамжийг сонгон өсгөх замаар монохроматик чанарыг сайжруулах (лазер тодорхой энергиэр ялгарч байгаа эсэхийг баталгаажуулах) боломжтой резонансын хөндий байдаг.

Дээрх зурагт харгалзах бүтцийг харуулав, энэ нь YAG лазерын энгийн бүтэц юм. Бусад бүтэц нь илүү төвөгтэй байж болох ч гол нь энэ юм. Лазер үүсгэх процессыг зурагт үзүүлэв:

Лазерын ангилал: ерөнхийдөө олшруулах орчин эсвэл лазерын энергийн хэлбэрээр ангилдаг

Дунд зэргийн ангилалд оруулах:

Нүүрстөрөгчийн давхар ислийн лазерНүүрстөрөгчийн давхар ислийн лазерын олшруулагч орчин нь гелий баCO2 лазер,10.6 ум долгионы урттай лазерын долгионы урттай бөгөөд энэ нь хамгийн анхны лазер бүтээгдэхүүний нэг юм. Эртний лазерын гагнуур нь голчлон нүүрстөрөгчийн давхар ислийн лазер дээр суурилсан бөгөөд одоогоор голчлон металл бус материалыг (даавуу, хуванцар, мод гэх мэт) гагнах, огтлоход ашигладаг. Үүнээс гадна, үүнийг литографийн машинд ашигладаг. Нүүрстөрөгчийн давхар ислийн лазер нь оптик шилэн кабелиар дамжин өнгөрөх боломжгүй бөгөөд орон зайн оптик замаар дамждаг. Хамгийн эртний Тонгкуай нь харьцангуй сайн хийгдсэн бөгөөд олон зүсэх тоног төхөөрөмж ашигласан;

YAG (иттрий хөнгөн цагаан анар) лазер: Неодими (Nd) эсвэл иттрий (Yb) металлын ионоор хольсон YAG талстуудыг лазерын олшруулалтын орчин болгон ашигладаг бөгөөд 1.06um долгионы урттай ялгаруулдаг. YAG лазер нь илүү өндөр импульс гаргаж чаддаг боловч дундаж чадал нь бага бөгөөд оргил чадал нь дундаж чадалаас 15 дахин их хүрч чаддаг. Хэрэв энэ нь голчлон импульсийн лазер бол тасралтгүй гаралт хийх боломжгүй; Гэхдээ үүнийг оптик шилэн кабелиар дамжуулж болох бөгөөд үүний зэрэгцээ металл материалын шингээлтийн хурд нэмэгдэж, өндөр тусгалтай материалд анх 3C салбарт хэрэглэж эхэлж байна;

Шилэн лазер: Зах зээл дээрх одоогийн гол урсгал нь 1060 нм долгионы урттай иттербий хольцтой шилэн кабелийг олшруулагч орчин болгон ашигладаг. Үүнийг орчны хэлбэрээс хамааран шилэн болон дискэн лазер гэж хуваадаг; Шилэн кабель нь IPG-г, диск нь Тонгкуайг төлөөлдөг.

Хагас дамжуулагч лазер: Өсгөх орчин нь хагас дамжуулагч PN уулзвар бөгөөд хагас дамжуулагч лазерын долгионы урт нь голчлон 976 нм байна. Одоогийн байдлаар хагас дамжуулагч ойрын хэт улаан туяаны лазерыг голчлон бүрхүүлд ашигладаг бөгөөд 600 мкм-ээс дээш гэрлийн толботой. Laserline нь хагас дамжуулагч лазерын төлөөллийн аж ахуйн нэгж юм.

Эрчим хүчний үйлчлэлийн хэлбэрээр ангилна: Импульсийн лазер (PULSE), квази тасралтгүй лазер (QCW), тасралтгүй лазер (CW)

Импульсийн лазер: наносекунд, пикосекунд, фемтосекунд, энэхүү өндөр давтамжийн импульсийн лазер (ns, импульсийн өргөн) нь ихэвчлэн өндөр оргил энерги, өндөр давтамж (MHZ) боловсруулалтад хүрч чаддаг бөгөөд нимгэн зэс, хөнгөн цагааны ялгаатай материалыг боловсруулахад ашигладаг бөгөөд ихэвчлэн цэвэрлэгээ хийдэг. Өндөр оргил энергийг ашигласнаар суурь материалыг хурдан хайлуулж, бага үйлчлэх хугацаатай, бага дулааны нөлөөлөлд өртөх бүстэй. Энэ нь хэт нимгэн материалыг (0.5 мм-ээс доош) боловсруулахад давуу талтай;

Квази тасралтгүй лазер (QCW): Давталтын түвшин өндөр, ажлын мөчлөг бага (50%-иас доош) тул импульсийн өргөнQCW лазер50 us-50 ms хүрч, киловатт түвшний тасралтгүй шилэн лазер болон Q-шилжүүлэгчтэй импульсийн лазерын хоорондох зайг нөхдөг; Квази тасралтгүй шилэн лазерын оргил чадал нь тасралтгүй горимд ажиллах үед дундаж чадлаас 10 дахин их хүрч чаддаг. QCW лазерууд нь ерөнхийдөө хоёр горимтой байдаг бөгөөд нэг нь бага чадлаар тасралтгүй гагнах, нөгөө нь дундаж чадлаас 10 дахин их оргил чадалтай импульсийн лазер гагнуур бөгөөд энэ нь илүү зузаан материал, илүү их дулаан гагнуур хийх боломжтой бөгөөд мөн маш бага хүрээнд дулааныг хянадаг;

Тасралтгүй лазер (CW): Энэ нь хамгийн түгээмэл хэрэглэгддэг бөгөөд зах зээл дээр харагдаж байгаа ихэнх лазерууд нь гагнуурын боловсруулалтад зориулж тасралтгүй лазер гаргадаг CW лазерууд юм. Шилэн лазеруудыг цөмийн диаметр болон цацрагийн чанараас хамааран нэг горимт болон олон горимт лазер гэж хуваадаг бөгөөд өөр өөр хэрэглээний нөхцөлд тохируулан өөрчилж болно.