Эмне үчүн лазердин принцибин билишибиз керек?
Жалпы жарым өткөргүч лазерлердин, жипчелердин, дисктердин ортосундагы айырмачылыктарды билүү жанаYAG лазерошондой эле тандоо процессинде жакшыраак түшүнүүгө жана көбүрөөк талкууларга катышууга жардам берет.
Макала негизинен илимий-популярдуу темага багытталган: лазердин жаралуу принцибине кыскача киришүү, лазердин негизги түзүлүшү жана лазердин бир нече кеңири таралган түрлөрү.
Биринчиден, лазер түзүү принциби
Лазер жарык менен заттын өз ара аракеттенүүсү аркылуу пайда болот, стимулданган нурланууну күчөтүү катары белгилүү; Стимулданган нурлануунун күчөшүн түшүнүү үчүн Эйнштейндин өзүнөн-өзү чыгуу, стимулдаштырылган жутуу жана стимулданган нурлануу концепцияларын, ошондой эле кээ бир зарыл теориялык негиздерди түшүнүү талап кылынат.
1-теориялык негиз: Бор модели
Бор модели негизинен атомдордун ички түзүлүшүн камсыз кылат, бул лазердин кантип пайда болгонун түшүнүүнү жеңилдетет. Атом ядродон жана ядродон тышкары электрондордон турат жана электрондордун орбиталдары эркин эмес. Электрондордо белгилүү гана орбитальдар бар, алардын ичинен эң ички орбиталь негизги абал деп аталат; Эгерде электрон негизги абалда болсо, анын энергиясы эң төмөн. Эгерде электрон орбитадан секирип чыкса, ал биринчи дүүлүккөн абал деп аталат жана биринчи дүүлүккөн абалдын энергиясы негизги абалынан жогору болот; Башка орбита экинчи толкунданган абал деп аталат;
Лазердин пайда болушунун себеби бул моделде электрондор ар кандай орбиталарда кыймылдайт. Эгерде электрондор энергияны сиңирип алса, алар негизги абалдан дүүлүккөн абалга чейин иштей алат; Эгерде электрон толкунданган абалдан негизги абалга кайтып келсе, ал энергияны бөлүп чыгарат, ал көбүнчө лазер түрүндө чыгарылат.
2-теориялык негиз: Эйнштейндин стимулданган нурлануу теориясы
1917-жылы Эйнштейн лазердин жана лазердин өндүрүшүнүн теориялык негизи болгон стимулданган нурлануу теориясын сунуш кылган: заттын жутулушу же эмиссиясы негизинен радиация талаасы менен затты түзгөн бөлүкчөлөрдүн жана анын өзөгү менен өз ара аракеттенүүнүн натыйжасы болуп саналат. маңызы бөлүкчөлөрдүн ар кандай энергетикалык деңгээлдердин ортосунда өтүшү. Жарык менен заттын өз ара аракеттенүүсүндө үч түрдүү процесс бар: өзүнөн-өзү чыгуу, стимулдаштырылган чыгаруу жана стимулдаштырылган жутуу. Көп сандагы бөлүкчөлөрдү камтыган система үчүн бул үч процесс дайыма бирге жана тыгыз байланышта.
Спонтандык эмиссия:
Сүрөттө көрсөтүлгөндөй: жогорку энергиялуу Е2 деңгээлиндеги электрон өзүнөн-өзү аз энергиялуу Е1 деңгээлине өтүп, hv энергиялуу фотонду чыгарат жана hv=E2-E1; Бул стихиялуу жана байланышсыз өтүү процесси стихиялуу өтүү деп аталат, ал эми өзүнөн-өзү өтүүдөн чыккан жарык толкундары стихиялык нурлануу деп аталат.
Спонтандык эмиссиянын өзгөчөлүктөрү: Ар бир фотон көз карандысыз, ар кандай багыттары жана фазалары бар жана пайда болуу убактысы да кокустук. Бул лазер талап кылган жарык эмес, когеренттүү жана баш аламан жарыкка таандык. Ошондуктан, лазер түзүү жараяны адашкан жарыктын бул түрүн азайтуу керек. Бул да ар кандай лазерлердин толкун узундугунун адашкан жарыкка ээ болушунун себептеринин бири. Эгер жакшы башкарылса, лазердеги стихиялык эмиссиянын үлүшүн эске албай коюуга болот. Лазер канчалык таза болсо, мисалы, 1060 нм, анын баары 1060 нм, лазердин бул түрү салыштырмалуу туруктуу жутуу ылдамдыгына жана кубаттуулугуна ээ.
Стимулдаштырылган сиңирүү:
Төмөнкү энергетикалык деңгээлдеги электрондор (төмөн орбитальдар), фотондорду сиңиргенден кийин, жогорку энергетикалык деңгээлге (жогорку орбиталдар) өтүшөт жана бул процесс стимулданган абсорбция деп аталат. Стимулдаштырылган абсорбция өтө маанилүү жана негизги насостук процесстердин бири. Лазердин насостук булагы фотон энергиясы менен камсыз кылат, бул бөлүкчөлөрдүн чөйрөгө өтүшүнө себеп болот жана лазерди чыгарып, жогорку энергия деңгээлинде стимулданган нурланууну күтөт.
Стимулданган нурлануу:
Сырткы энергиянын жарыгы менен нурланганда (hv=E2-E1) жогорку энергетикалык деңгээлдеги электрон тышкы фотон менен дүүлүгүп, төмөнкү энергетикалык деңгээлге секирет (жогорку орбита төмөнкү орбитага өтөт). Ошол эле учурда сырткы фотон менен дал келген фотонду чыгарат. Бул процесс баштапкы дүүлүктүрүү жарыгын сиңирип албайт, ошондуктан эки окшош фотон болот, аларды электрон мурда сиңирилген фотонду түкүрөт деп түшүнүүгө болот. Бул люминесценция процесси стимулданган нурлануу деп аталат, ал стимулданган жутулуунун тескери процесси.
Теория түшүнүктүү болгондон кийин, жогорудагы сүрөттө көрсөтүлгөндөй, лазерди куруу өтө жөнөкөй: материалдык туруктуулуктун нормалдуу шарттарында электрондордун басымдуу көпчүлүгү негизги абалда, электрондор негизги абалда, ал эми лазер көз каранды. стимулданган нурлануу. Демек, лазердин түзүлүшү алгач стимулданган сиңирүүнүн пайда болушуна шарт түзүп, электрондорду жогорку энергетикалык деңгээлге жеткирет, андан кийин дүүлүктүрүү менен камсыз кылып, көп сандагы жогорку энергетикалык деңгээлдеги электрондорду стимулданган нурланууга алып, фотондорду бөлүп чыгарат. лазер түзүлүшү мүмкүн. Кийинки, биз лазер түзүлүшүн тааныштырат.
Лазердик түзүлүшү:
Лазердин түзүлүшүн мурда айтылган лазер генерациясынын шарттары менен шайкеш келтириңиз:
Пайда болуу шарты жана тиешелүү түзүмү:
1. Лазердик жумушчу чөйрө катары күчөтүү эффектин камсыз кылуучу күч чөйрөсү бар жана анын активдештирилген бөлүкчөлөрү стимулданган нурланууну (негизинен электрондорду жогорку энергиялуу орбиталдарга айдай алат жана белгилүү бир убакытка чейин жашай алат) жарактуу энергетикалык деңгээлдеги түзүлүшкө ээ. , анан стимулданган нурлануу аркылуу бир демде фотондорду чыгарышат);
2. Лазердин үстүңкү жана төмөнкү деңгээлдеринин ортосунда бөлүкчөлөрдүн санынын инверсиясын (б.а. аз энергиялуу бөлүкчөлөр), мисалы, YAG лазериндеги ксенон лампалары;
3. Лазердик термелүүгө жетишүүгө, лазердик жумушчу материалдын иштөө узундугун көбөйтүүгө, жарык толкунунун режимин экранга чыгарууга, нурдун таралуу багытын көзөмөлдөөгө, монохроматтуулукту жакшыртуу үчүн стимулданган нурлануу жыштыгын тандап күчөтүүгө (болжол менен резонанстык көңдөй) бар. лазер белгилүү бир энергияда чыгарылат).
Тиешелүү түзүлүш YAG лазеринин жөнөкөй структурасы болгон жогорудагы сүрөттө көрсөтүлгөн. Башка структуралар татаалыраак болушу мүмкүн, бирок негизги бул. Лазердик генерация процесси сүрөттө көрсөтүлгөн:
Лазердик классификация: жалпысынан пайда чөйрөсү же лазердик энергия формасы боюнча классификацияланат
Орточо классификацияны алуу:
Көмүр кычкыл газы лазери: Көмүр кычкыл газынын лазеринин чөйрөсү гелий жанаCO2 лазер,лазердик толкун узундугу 10,6um, бул эң алгачкы лазердик продукциялардын бири. Алгачкы лазердик ширетүү негизинен көмүр кычкыл газынын лазерине негизделген, ал учурда негизинен металл эмес материалдарды (кездеме, пластмасса, жыгач, ж.б.) ширетүүдө жана кесүүдө колдонулат. Мындан тышкары, ал литографиялык машиналарда да колдонулат. Көмүр кычкыл газы лазер оптикалык була аркылуу берилиши мүмкүн эмес жана мейкиндик оптикалык жолдор аркылуу кыдырат, Эң алгачкы Tongkuai салыштырмалуу жакшы аткарылган, жана кесүүчү жабдуулар көп колдонулган;
YAG (иттрий алюминий гранаты) лазери: неодим (Nd) же иттрий (Yb) металл иондору менен кошулган YAG кристаллдары лазердин жогорулашын чөйрө катары колдонулат, толкун узундугу 1,06um болгон. YAG лазери жогорку импульстарды чыгара алат, бирок орточо кубаттуулугу төмөн, ал эми эң жогорку кубаттуулугу орточо кубаттуулуктан 15 эсеге жетиши мүмкүн. Бул негизинен импульс лазер болсо, үзгүлтүксүз чыгарууга жетишүү мүмкүн эмес; Бирок, ал оптикалык була аркылуу берилиши мүмкүн, жана ошол эле учурда, металл материалдардын жутуу ылдамдыгы жогорулайт, ал 3C тармагында биринчи колдонулат, жогорку чагылдыруу материалдарында колдонула баштайт;
Була лазер: Учурдагы рыноктогу негизги агым 1060нм толкун узундугу менен итербий кошулган буланы пайда алып келүүчү каражат катары колдонот. Андан ары чөйрөнүн формасына жараша була жана диск лазерлерине бөлүнөт; Оптикалык була IPGди, ал эми диск Тонгкуайды билдирет.
Жарым өткөргүч лазер: пайда чөйрөсү жарым өткөргүч PN түйүнү болуп саналат жана жарым өткөргүч лазердин толкун узундугу негизинен 976нм. Учурда жарым өткөргүчтүү жакын инфракызыл лазерлер негизинен каптоо үчүн колдонулат, жарык тактары 600um жогору. Laserline жарым өткөргүч лазерлердин өкүлчүлүгү болуп саналат.
Энергетикалык аракет формасы боюнча классификацияланат: Импульстук лазер (PULSE), квази үзгүлтүксүз лазер (QCW), үзгүлтүксүз лазер (CW)
Импульстук лазер: наносекунд, пикосекунд, фемтосекунд, бул жогорку жыштыктагы импульс лазери (нс, импульстун туурасы) көбүнчө жогорку чокулуу энергияга, жогорку жыштыктагы (MHZ) иштетүүгө жетише алат, жука жез жана алюминий окшош эмес материалдарды иштетүү, ошондой эле көбүнчө тазалоо үчүн колдонулат. . жогорку чокусу энергияны колдонуу менен, ал тез эле аз иш убактысы жана кичинекей жылуулук таасир зонасы менен, негизги материалды эрите алат. Бул өтө жука материалдарды иштетүүдө артыкчылыктарга ээ (0,5 мм төмөн);
Квази үзгүлтүксүз лазер (QCW): жогорку кайталануу ылдамдыгы жана жумуш циклинин аздыгынан (50% дан төмөн), импульстун туурасыQCW лазеркиловатт деңгээлиндеги үзгүлтүксүз була лазер менен Q-которулуучу импульстук лазердин ортосундагы боштукту толтуруп, 50 us-50 мс жетет; Квази үзгүлтүксүз була лазеринин эң жогорку күчү үзгүлтүксүз режимде иштөөдө орточо кубаттуулуктан 10 эсеге жетиши мүмкүн. QCW лазерлеринин жалпысынан эки режими бар, бири аз кубаттуулукта үзгүлтүксүз ширетүүчү, экинчиси орточо кубаттуулуктан 10 эсе жогорку кубаттуулуктагы импульстук лазер менен ширетүүдө, бул коюу материалдарга жана көбүрөөк жылуулук менен ширетүүгө жетише алат, ошол эле учурда жылуулукту башкара алат. абдан кичинекей диапазону;
Үзгүлтүксүз лазер (CW): Бул эң көп колдонулган жана рынокто көрүнгөн лазерлердин көбү ширетүүчү иштетүү үчүн лазерди үзгүлтүксүз чыгарган CW лазерлери. Була лазерлери ар кандай негизги диаметрлер жана нур сапаттары боюнча бир режимдүү жана көп режимдүү лазерлерге бөлүнөт жана аларды колдонуунун ар кандай сценарийлерине ылайыкташтырылышы мүмкүн.
Посттун убактысы: 20-декабрь, 2023-жыл
