Prinsip Pembangkitan Laser

Naha urang kedah terang prinsip laser?

Nyaho bédana antara laser semikonduktor umum, serat, cakram, sarengLaser YAGogé tiasa ngabantosan pikeun kéngingkeun pamahaman anu langkung saé sareng ngiringan langkung seueur diskusi salami prosés seleksi.

Artikel ieu utamina museur kana élmu populér: bubuka singget kana prinsip generasi laser, struktur utama laser, sareng sababaraha jinis laser umum.

Anu mimiti, prinsip generasi laser

Laser dihasilkeun ngaliwatan interaksi antara cahaya sareng materi, anu katelah amplifikasi radiasi anu dirangsang; Ngartos amplifikasi radiasi anu dirangsang meryogikeun pamahaman konsép Einstein ngeunaan émisi spontan, panyerepan anu dirangsang, sareng radiasi anu dirangsang, ogé sababaraha dasar téoritis anu diperyogikeun.

Dasar Téoritis 1: Modél Bohr

Modél Bohr utamina nyayogikeun struktur internal atom, ngajantenkeun gampang pikeun ngartos kumaha laser kajantenan. Atom diwangun ku inti sareng éléktron di luar inti, sareng orbital éléktron henteu acak. Éléktron ngan ukur gaduh orbital anu tangtu, diantarana orbital pangjerona disebut kaayaan dasar; Upami éléktron aya dina kaayaan dasar, énergina paling handap. Upami éléktron luncat kaluar tina orbit, éta disebut kaayaan tereksitasi anu munggaran, sareng énergi kaayaan tereksitasi anu munggaran bakal langkung luhur tibatan kaayaan dasar; Orbit anu sanés disebut kaayaan tereksitasi anu kadua;

Alesan kunaon laser bisa kajadian nyaéta kusabab éléktron bakal gerak dina orbit anu béda dina modél ieu. Upami éléktron nyerep énergi, éta tiasa lumpat ti kaayaan dasar ka kaayaan tereksitasi; Upami éléktron balik deui ti kaayaan tereksitasi ka kaayaan dasar, éta bakal ngaleupaskeun énergi, anu sering dileupaskeun dina bentuk laser.

Dasar Téoritis 2: Téori Radiasi Stimulasi Einstein

Dina taun 1917, Einstein ngajukeun téori radiasi anu dirangsang, anu mangrupikeun dasar téoritis pikeun laser sareng produksi laser: panyerepan atanapi émisi zat sacara dasarna mangrupikeun hasil tina interaksi antara médan radiasi sareng partikel anu ngawangun zat, sareng inti na nyaéta transisi partikel antara tingkat énergi anu béda. Aya tilu prosés anu béda dina interaksi antara cahaya sareng zat: émisi spontan, émisi anu dirangsang, sareng panyerepan anu dirangsang. Pikeun sistem anu ngandung sajumlah ageung partikel, tilu prosés ieu salawasna hirup babarengan sareng raket patalina.

Émisi spontan:

Sakumaha anu dipidangkeun dina gambar: éléktron dina tingkat énergi luhur E2 sacara spontan transisi ka tingkat énergi handap E1 sareng ngaluarkeun foton kalayan énergi hv, sareng hv = E2-E1; Prosés transisi spontan sareng teu aya hubunganana ieu disebut transisi spontan, sareng gelombang cahaya anu dipancarkeun ku transisi spontan disebut radiasi spontan.

Ciri-ciri émisi spontan: Unggal foton mandiri, kalayan arah sareng fase anu béda-béda, sareng waktos kajadianana ogé acak. Éta kagolong kana cahaya anu teu koheren sareng kacau, anu sanés cahaya anu diperyogikeun ku laser. Ku alatan éta, prosés generasi laser kedah ngirangan jinis cahaya nyasar ieu. Ieu ogé salah sahiji alesan kunaon panjang gelombang rupa-rupa laser ngagaduhan cahaya nyasar. Upami dikontrol kalayan saé, proporsi émisi spontan dina laser tiasa dipaliré. Beuki murni laser, sapertos 1060 nm, sadayana 1060 nm, Jinis laser ieu ngagaduhan laju sareng kakuatan panyerepan anu relatif stabil.

Nyerep anu dirangsang:

Éléktron dina tingkat énergi anu handap (orbital handap), saatos nyerep foton, transisi ka tingkat énergi anu langkung luhur (orbital luhur), sareng prosés ieu disebut panyerepan anu dirangsang. Penyerepan anu dirangsang penting pisan sareng salah sahiji prosés pompa konci. Sumber pompa laser nyayogikeun énergi foton pikeun nyababkeun partikel dina média gain transisi sareng ngantosan radiasi anu dirangsang dina tingkat énergi anu langkung luhur, ngaluarkeun laser.

Radiasi anu dirangsang:

Nalika disinari ku cahaya énergi éksternal (hv=E2-E1), éléktron dina tingkat énergi anu luhur bakal dieksitasi ku foton éksternal teras luncat ka tingkat énergi anu handap (orbit anu luhur nuju ka orbit anu handap). Dina waktos anu sami, éta ngaluarkeun foton anu sami persis sareng foton éksternal. Prosés ieu henteu nyerep cahaya éksitasi anu asli, janten bakal aya dua foton anu idéntik, anu tiasa kahartos nalika éléktron ngaluarkeun foton anu diserep sateuacanna. Prosés luminesensi ieu disebut radiasi anu dirangsang, nyaéta prosés sabalikna tina panyerepan anu dirangsang.

Saatos téorina jelas, gampang pisan pikeun ngawangun laser, sapertos anu dipidangkeun dina gambar di luhur: dina kaayaan normal stabilitas bahan, seuseueurna éléktron aya dina kaayaan dasar, éléktron dina kaayaan dasar, sareng laser gumantung kana radiasi anu dirangsang. Ku alatan éta, struktur laser nyaéta pikeun ngamungkinkeun panyerepan anu dirangsang lumangsung heula, mawa éléktron ka tingkat énergi anu luhur, teras nyayogikeun éksitasi pikeun nyababkeun sajumlah ageung éléktron tingkat énergi anu luhur ngalaman radiasi anu dirangsang, ngaleupaskeun foton, Tina ieu, laser tiasa dihasilkeun. Salajengna, urang bakal ngenalkeun struktur laser.

Struktur laser:

Pasangkeun struktur laser sareng kaayaan generasi laser anu kasebat tadi hiji-hiji:

Kaayaan kajadian sareng struktur anu saluyu:

1. Aya média gain anu nyayogikeun pangaruh amplifikasi salaku média kerja laser, sareng partikel anu diaktipkeunna gaduh struktur tingkat énergi anu cocog pikeun ngahasilkeun radiasi anu dirangsang (utamina tiasa ngompa éléktron ka orbital énergi tinggi sareng aya salami periode waktu anu tangtu, teras ngaleupaskeun foton dina hiji napas ngalangkungan radiasi anu dirangsang);

2. Aya sumber eksitasi éksternal (sumber pompa) anu tiasa ngompa éléktron ti tingkat handap ka tingkat luhur, nyababkeun inversi jumlah partikel antara tingkat luhur sareng handap laser (nyaéta, nalika aya langkung seueur partikel énergi tinggi tibatan partikel énergi rendah), sapertos lampu xenon dina laser YAG;

3. Aya rongga résonansi anu tiasa ngahontal osilasi laser, ningkatkeun panjang kerja bahan kerja laser, nyaring mode gelombang cahaya, ngontrol arah rambatan sinar, sacara selektif nguatkeun frékuénsi radiasi anu dirangsang pikeun ningkatkeun monokromatisitas (mastikeun yén laser dikaluarkeun dina énergi anu tangtu).

Struktur anu saluyu dipidangkeun dina gambar di luhur, nyaéta struktur basajan tina laser YAG. Struktur anu sanés tiasa langkung rumit, tapi intina nyaéta ieu. Prosés generasi laser dipidangkeun dina gambar:

Klasifikasi laser: umumna diklasifikasikeun dumasar kana medium gain atanapi dumasar kana bentuk énergi laser

Klasifikasi sedeng gain:

Laser karbon dioksidaMédium gain laser karbon dioksida nyaéta hélium sarengLaser CO2,kalayan panjang gelombang laser 10.6um, anu mangrupikeun salah sahiji produk laser pangheubeulna anu diluncurkeun. Pangelasan laser awal utamina dumasar kana laser karbon dioksida, anu ayeuna utamina dianggo pikeun ngelas sareng motong bahan non-logam (lawon, plastik, kai, jsb.). Salian ti éta, éta ogé dianggo dina mesin litografi. Laser karbon dioksida henteu tiasa dikirimkeun ngalangkungan serat optik sareng ngarambat ngalangkungan jalur optik spasial, Tongkuai pangheubeulna dilakukeun kalayan rélatif saé, sareng seueur alat motong anu dianggo;

Laser YAG (yttrium aluminium garnet): Kristal YAG anu didoping ku ion logam neodymium (Nd) atanapi yttrium (Yb) dianggo salaku média gain laser, kalayan panjang gelombang émisi 1,06um. Laser YAG tiasa ngaluarkeun pulsa anu langkung luhur, tapi kakuatan rata-rata rendah, sareng kakuatan puncak tiasa ngahontal 15 kali kakuatan rata-rata. Upami éta utamina laser pulsa, kaluaran kontinyu moal tiasa kahontal; Tapi éta tiasa dikirimkeun ngalangkungan serat optik, sareng dina waktos anu sami, laju panyerepan bahan logam ningkat, sareng éta mimiti diterapkeun dina bahan réfléksibilitas anu luhur, mimitina diterapkeun dina widang 3C;

Laser serat: Arus utama di pasar ayeuna nganggo serat anu didoping ytterbium salaku média gain, kalayan panjang gelombang 1060nm. Ieu salajengna dibagi kana laser serat sareng cakram dumasar kana bentuk média; Serat optik ngagambarkeun IPG, sedengkeun cakram ngagambarkeun Tongkuai.

Laser semikonduktor: Médium gain nyaéta sambungan PN semikonduktor, sareng panjang gelombang laser semikonduktor utamina dina 976nm. Ayeuna, laser infrabeureum caket semikonduktor utamina dianggo pikeun palapis, kalayan titik cahaya di luhur 600um. Laserline mangrupikeun perusahaan perwakilan laser semikonduktor.

Diklasifikasikeun dumasar kana bentuk aksi énergina: Laser pulsa (PULSE), laser kuasi kontinyu (QCW), laser kontinyu (CW)

Laser pulsa: nanodetik, pikodetik, femtodetik, laser pulsa frékuénsi luhur ieu (ns, lébar pulsa) sering tiasa ngahontal énergi puncak anu luhur, pamrosésan frékuénsi luhur (MHZ), dianggo pikeun ngolah bahan tambaga sareng aluminium anu ipis anu béda, ogé pikeun beberesih. Ku ngagunakeun énergi puncak anu luhur, éta tiasa gancang ngalemberehkeun bahan dasar, kalayan waktos aksi anu handap sareng zona anu kapangaruhan panas anu alit. Éta ngagaduhan kaunggulan dina ngolah bahan ultra-ipis (di handap 0,5mm);

Laser kuasi kontinyu (QCW): Kusabab laju pangulangan anu luhur sareng siklus tugas anu handap (di handap 50%), lébar pulsa tinaLaser QCWngahontal 50 us-50 ms, ngeusian celah antara laser serat kontinyu tingkat kilowatt sareng laser pulsa Q-switched; Daya puncak laser serat kontinyu kuasi tiasa ngahontal 10 kali daya rata-rata dina operasi modeu kontinyu. Laser QCW umumna gaduh dua modeu, hiji nyaéta las kontinyu dina daya rendah, sareng anu sanésna nyaéta las laser pulsed kalayan daya puncak 10 kali daya rata-rata, anu tiasa ngahontal bahan anu langkung kandel sareng las panas anu langkung seueur, bari ogé ngontrol panas dina kisaran anu alit pisan;

Laser Kontinyu (CW): Ieu anu paling umum dianggo, sareng kaseueuran laser anu katingali di pasar nyaéta laser CW anu terus-terusan ngaluarkeun laser pikeun pamrosésan las. Laser serat dibagi kana laser mode tunggal sareng multi-mode numutkeun diaméter inti sareng kualitas sinar anu béda, sareng tiasa diadaptasi kana skénario aplikasi anu béda.