Мини-энциклопедия: Лазердик ширетүү принциби жана процесстин колдонулушу
Энергия деңгээлдери
Зат атомдордон, ал эми атомдор ядродон жана электрондордон турат. Электрондор ядронун айланасында айланат. Атомдогу электрондордун энергиясы кокусунан эмес.
Микроскопиялык дүйнөнү сүрөттөгөн кванттык механика бизге электрондордун туруктуу энергия деңгээлдерин ээлей турганын айтат. Ар кандай энергия деңгээлдери ар кандай электрон энергияларына туура келет: ядродон алысыраак орбиталардын энергиясы жогору.
Мындан тышкары, ар бир орбита максималдуу сандагы электрондорду батыра алат. Мисалы, эң төмөнкү орбита (ядрого эң жакын) 2 электронго чейин батыра алат, ал эми жогорку орбиталарда 8 электронго чейин бата алат ж.б.у.с.
Өткөөл мезгил
Электрондор бир энергия деңгээлинен экинчисине энергияны сиңирүү же бөлүп чыгаруу аркылуу өтө алышат.
Мисалы, электрон фотонду жутканда, ал төмөнкү энергия деңгээлинен жогорку деңгээлге секириши мүмкүн. Ошо сыяктуу эле, жогорку энергия деңгээлиндеги электрон фотонду чыгаруу менен төмөнкү деңгээлге түшүшү мүмкүн.
Бул процесстерде сиңирилген же бөлүнүп чыккан фотондун энергиясы ар дайым эки деңгээлдин ортосундагы энергия айырмасына барабар. Фотондун энергиясы жарыктын толкун узундугун аныктагандыктан, сиңирилген же бөлүнүп чыккан жарык туруктуу түскө ээ.
Лазердик генерациялоо принциби
Стимулдаштырылган абсорбция
Стимулданган абсорбция аз энергиялуу абалдагы атомдор тышкы нурланууну сиңирип, жогорку энергиялуу абалга өткөндө пайда болот. Электрондор фотондорду сиңирүү менен төмөнкү энергиялык деңгээлден жогорку энергиялуу абалга секире алышат.
Стимулдаштырылган эмиссия
Стимулданган эмиссия деп фотондун "стимуляциясы" же "индукциясы" астында жогорку энергия деңгээлиндеги электрондордун төмөнкү энергия деңгээлине өтүп, түшкөн фотон менен бирдей жыштыктагы фотонду чыгарышын түшүнөбүз.
Стимулданган нурлануунун негизги өзгөчөлүгү - пайда болгон фотон баштапкы фотонго окшош: бирдей жыштыкта, бирдей багытта жана таптакыр айырмаланбайт. Ошентип, бир фотон бир стимулданган нурлантуу процесси аркылуу эки бирдей фотонго айланат. Бул жарыктын күчтөнөөрүн же күчөтүлөрүн билдирет — лазердик генерациянын негизги принциби.
Өзүнөн-өзү пайда болгон эмиссия
Өзүнөн-өзү эмиссия жогорку энергия деңгээлиндеги электрондор тышкы таасирсиз төмөнкү деңгээлге түшүп, өтүү учурунда жарык (электромагниттик нурлануу) чыгарганда пайда болот. Фотондун энергиясы E=E2−E1, эки деңгээлдин ортосундагы энергия айырмасы.
Лазердик генерациянын шарттары
Лазердик күчтөндүрүү каражаты
Лазердик генерация үчүн газ, суюк, катуу же жарым өткөргүч болушу мүмкүн болгон ылайыктуу күчөтүүчү чөйрө талап кылынат. Эң негизгиси, лазердик чыгуу үчүн зарыл шарт болгон чөйрөдө популяциялык инверсияга жетүү. Метастабилдүү энергия деңгээлдери популяциялык инверсия үчүн абдан пайдалуу.
Насос булагы
Популяциянын инверсиясына жетүү үчүн, атомдук система жогорку энергия деңгээлиндеги бөлүкчөлөрдүн санын көбөйтүү үчүн дүүлүктүрүлүшү керек.
Жалпы ыкмаларга төмөнкүлөр кирет:
- Электрдик сордуруу: жогорку кинетикалык энергиялуу электрондорду колдонуу менен газ разряддоо
- Оптикалык сордуруу: импульстук жарык булактары менен нурлантуу
- Термикалык сордуруу, химиялык сордуруу ж.б.
Бул ыкмалар жалпысынан насостоо деп аталат. Лазердин туруктуу чыгышы үчүн төмөнкү деңгээлге караганда жогорку деңгээлде көбүрөөк бөлүкчөлөрдү кармап туруу үчүн үзгүлтүксүз насостоо талап кылынат.
Резонатор
Ылайыктуу күчөтүү чөйрөсү жана насостук булак менен популяциянын инверсиясына жетишүүгө болот, бирок стимулдаштырылган нурлануунун интенсивдүүлүгү практикалык колдонуу үчүн өтө алсыз. Андан ары күчөтүү керек, ал оптикалык резонатор менен камсыздалат.
Оптикалык резонатор лазердин эки учуна параллель жайгаштырылган эки жогорку чагылдыруучу күзгүдөн турат:
- Бир толук чагылдыруучу күзгү
- Бир жарым-жартылай чагылдыруу жана жарым-жартылай берүү күзгүсү
Толук чагылдыруу күзгүсү түшкөн бардык жарыкты баштапкы жолу менен кайра чагылдырат. Жарым-жартылай чагылдыруу күзгүсү белгилүү бир энергия босогосунан төмөн фотондорду чөйрөгө кайра чагылдырат, ал эми босогодон жогору фотондор күчөтүлгөн лазердик жарык катары өтөт.
Жарык резонатордо алдыга жана артка термелип, стимулдаштырылган нурлануунун чынжыр реакциясын баштайт, ал кар көчкүсү сыяктуу күчөп, жогорку интенсивдүү лазердик чыгарууну пайда кылат.
Насос лампасы деген эмне?
Ксенон лампасы – бул инерттүү газ разряддоочу лампа, адатта түз түтүк формасында болот. Ал, адатта, электроддордон, кварц түтүгүнөн жана толтурулган ксенон (Xe) газынан турат.
Электроддор жогорку эрүү температурасына, жогорку электрон эмиссиясынын натыйжалуулугуна жана аз чачыраган металлдан жасалган. Лампа түтүгү жогорку бекемдикке, жогорку температурага туруктуу, жогорку өткөрүмдүүлүккө ээ кварц айнегинен жасалган жана ксенон газы менен толтурулган.
Nd:YAG лазердик таякчасы деген эмне?
Nd:YAG (неодим менен легирленген иттрий алюминий гранаты) эң көп колдонулган катуу лазердик материал болуп саналат.
YAG – жогорку катуулугу, эң сонун оптикалык сапаты жана жогорку жылуулук өткөрүмдүүлүгү бар куб кристаллы. Үч валенттүү неодим иондору кристаллдык торчодогу кээ бир үч валенттүү иттрий иондорун алмаштырат, ошондуктан неодим менен легирленген иттрий алюминий гранаты деп аталат.
Лазердин мүнөздөмөлөрү
Жакшы шайкештик
Кадимки булактардан келген жарык багыты, фазасы жана убактысы боюнча башаламан болот жана линза менен да бир чекитке фокусталбайт.
Лазердик жарык өтө когеренттүү: ал таза жыштыкка ээ, идеалдуу фазада бир багытта тарайт жана жогорку концентрацияланган энергиясы бар кичинекей чекитке фокусталышы мүмкүн.
Мыкты багыттоо
Лазер башка жарык булактарына караганда алда канча жакшы багытка ээ жана дээрлик параллель нур сыяктуу иштейт. Айга багытталганда да (болжол менен 384 000 км алыстыкта), тактын диаметри болгону 2 км.
Жакшы монохроматтуулук
Стимулданган нурдануудан чыккан лазердик жарык өтө тар жыштык диапазонуна ээ. Жөнөкөй сөз менен айтканда, лазер эң сонун монохроматтуулукка ээ — анын "түсү" өтө таза. Монохроматтуулук лазердик иштетүү колдонмолору үчүн абдан маанилүү.
Жогорку жарыктык
Лазердик ширетүү лазер нурларынын эң сонун багыттуулугун жана жогорку кубаттуулук тыгыздыгын колдонот. Лазер оптикалык система аркылуу кичинекей аймакка фокусталып, кыска убакыттын ичинде жогорку концентрацияланган жылуулук булагын пайда кылат, материалды эритип, туруктуу ширетүү тактарын жана тигиштерин пайда кылат.
Лазердик ширетүүнүн артыкчылыктары
Башка ширетүү ыкмалары менен салыштырганда, лазердик ширетүү төмөнкүлөрдү сунуштайт:
- Жогорку энергия концентрациясы, жогорку ширетүү натыйжалуулугу, жогорку тактык жана ширетүүчү жерлердин тереңдиктен туурасына болгон чоң катышы.
- Жылуулуктун аз кириши, жылуулуктун таасир этүүчү зонасы кичинекей, калдык чыңалуу жана деформация минималдуу.
- Байланышсыз ширетүү, ийкемдүү була-оптикалык берүү, жакшы жеткиликтүүлүк жана жогорку автоматташтыруу.
- Ийкемдүү муун дизайны, чийки заттарды үнөмдөө.
- Так башкарылуучу энергия, туруктуу ширетүү натыйжалары жана эң сонун ширетүүчү көрүнүш.
Металл материалдарын лазер менен ширетүү процесстери
Дат баспаган болот
- Жакшы натыйжаларга кадимки төрт бурчтуу толкун импульстары менен жетишүүгө болот.
- Ширетүүчү жерлерди металл эмес материалдардан алыс кармоо үчүн муундарды долбоорлоңуз.
- Ширетүүчү аянтты жана бөлүктүн калыңдыгын бекемдик жана көрүнүш үчүн жетиштүү кылып резервдеңиз.
- Ширетүү учурунда бөлүктүн тазалыгын жана кургак чөйрөнү камсыз кылыңыз.
Алюминий эритмелери
- Жогорку чагылдыруу лазердин жогорку кубаттуулугун талап кылат.
- Импульстук так ширетүү учурунда жарылууга жакын, бул бекемдигин төмөндөтөт.
- Материалдын курамы чачырап кетиши мүмкүн; жогорку сапаттагы чийки затты колдонуңуз.
- Чоң так өлчөмү жана узун импульс туурасы менен жакшыраак натыйжалар.
Жез жана жез эритмелери
- Алюминийге караганда жогорку чагылдыруу; андан да жогорку лазердик чокусунун кубаттуулугун талап кылат.
- Лазердин башы бир бурчта кыйшайышы керек.
- Жез эритмелерин (жез, мельхиор ж.б.) легирлөөчү элементтерден улам ширетүү кыйыныраак; параметрлерди кылдаттык менен тандоо талап кылынат.
Лазердик ширетүүдөгү жана чечимдердеги кеңири таралган кемчиликтер
Туура эмес параметрлер же туура эмес иштөө көбүнчө ширетүү кемчиликтерине алып келет, анын ичинде:
- Бетке чачыратуу
- Ички ширетүүчү тешиктүүлүк
- Ширетүүчү жаракалар
- Ширетүүчү деформация
Ширетүүчү чачыратуу
Чачыранды негизинен лазердин кубаттуулугунун өтө жогорку тыгыздыгынан келип чыгат: даярдалган бөлүк кыска убакыттын ичинде өтө көп энергияны сиңирип алат, бул материалдын катуу бууланышына жана эриген көлмөнүн катуу реакциясына алып келет.
Чачырандылар сырткы көрүнүшкө, чогултуунун тактыгына жана ширетүүнүн бекемдигине зыян келтирет.
Себептери
- Лазердин кубаттуулугу өтө жогору.
- Ширетүүчү толкун формасынын туура эместиги, айрыкча жогорку чагылдыруучу материалдар үчүн.
- Материалдык бөлүнүү жергиликтүү жогорку энергияны сиңирүүгө алып келет.
- Иштелип чыккан бөлүктүн бетиндеги булгануу же металл эмес кошулмалар.
- Ширетүү учурунда газ пайда кылуучу, жумушчу бөлүктөрдүн ортосунда же астында эрүүчү төмөнкү температурадагы заттар.
- Газдын кеңейишине жана чачырашына алып келүүчү жабык көңдөй түзүлүштөр.
Чечимдер
- Параметрлерди оптималдаштырыңыз: чоку кубаттуулугун азайтыңыз же кескин толкун формаларын колдонуңуз.
- Квалификациялуу, жогорку сапаттагы чийки заттарды колдонуңуз.
- Майды жана аралашмаларды кетирүү үчүн ширетүү алдындагы тазалоону күчөтүңүз.
- Ширетүүчү түзүлүштүн дизайнын оптималдаштыруу.
Ички кеуектүүлүк
Лазердик ширетүүдө эң көп кездешкен кемчилик - кеуектүүлүк. Тез жылуулук цикли жана эритилген бассейндин кыска иштөө мөөнөтү газдын чыгып кетишине жол бербейт, бул кеуекчелерди пайда кылат.
Жалпы түрлөрү: суутек тешикчелери, көмүртек кычкылы тешикчелери жана кулпу тешикчелеринин кулашы.
Ширетүүчү жаракалар
Жаракалар ширетүүнүн бекемдигин жана кызмат мөөнөтүн бир топ төмөндөтөт. Лазердик ширетүүнүн тез ысытылышы жана муздатылышы жарака кетүү коркунучун жогорулатат.
Лазердик ширетүүдөгү көпчүлүк жаракалар ысык жаракалар болуп саналат, алар алюминий эритмелеринде жана жогорку көмүртектүү/жогорку эритмелүү болоттордо көп кездешет.
Алдын алуу
- Морт материалдар үчүн жаракаларды азайтуу үчүн алдын ала ысытууну жана жай муздатуучу толкун формаларын кошуңуз.
- Ширетүү стрессин азайтуу үчүн муундардын конструкциясын оптималдаштырыңыз.
- Окшош көрсөткүчтөр менен жарака кетүү тенденциясы төмөн материалдарды тандаңыз.
Ширетүүнүн деформациясы
Деформация көбүнчө жука барактарда, чоң аянттагы даяр бөлүктөрдө же көп чекиттүү ширетүү иштеринде пайда болуп, чогултууга жана иштөөгө таасир этет. Ал жылуулуктун бирдей эмес киришинен жана жылуулуктун кеңейиши/кысылышынын туруксуздугунан келип чыгат.
Чечимдер
- Жылуулук киргизүүнү азайтуу үчүн параметрлерди оптималдаштырыңыз: импульстун туурасын азайтуу менен эң жогорку кубаттуулукту жогорулатыңыз.
- Бирдик убакытка жылуулукту азайтуу үчүн ширетүү ылдамдыгын жана импульс жыштыгын төмөндөтүңүз.
- Бирдей жылытууну камсыз кылуу үчүн ширетүү ырааттуулугун оптималдаштырыңыз.
Жарыяланган убактысы: 2026-жылдын 25-февралы
