Лазердик генерациялоо принциби

Эмне үчүн лазердин иштөө принцибин билишибиз керек?

Жарым өткөргүч лазерлердин, булалардын, дисктердин жана башкалардын ортосундагы айырмачылыктарды билүүYAG лазериошондой эле тандоо процессинде жакшыраак түшүнүүгө жана көбүрөөк талкууларга катышууга жардам берет.

Макала негизинен популярдуу илимге багытталган: лазердик генерация принцибине кыскача киришүү, лазерлердин негизги түзүлүшү жана лазерлердин бир нече кеңири таралган түрлөрү.

Биринчиден, лазердик генерациялоо принциби

Лазер жарык менен заттын өз ара аракеттенүүсү аркылуу пайда болот, бул стимулдаштырылган нурлануунун күчөшү деп аталат; Стимулдаштырылган нурлануунун күчөшүн түшүнүү үчүн Эйнштейндин өзүнөн-өзү пайда болгон нурлануу, стимулдаштырылган сиңирүү жана стимулдаштырылган нурлануу түшүнүктөрүн, ошондой эле кээ бир зарыл болгон теориялык негиздерди түшүнүү талап кылынат.

Теориялык негиз 1: Бор модели

Бор модели негизинен атомдордун ички түзүлүшүн камсыз кылат, бул лазерлердин кантип пайда болорун түшүнүүнү жеңилдетет. Атом ядродон жана ядронун сыртындагы электрондордон турат жана электрондордун орбиталдары кокусунан эмес. Электрондордун белгилүү бир орбиталдары гана бар, алардын ичинен эң ички орбитал негизги абал деп аталат; Эгерде электрон негизги абалда болсо, анын энергиясы эң төмөнкү болот. Эгерде электрон орбитадан секирип чыкса, ал биринчи козголгон абал деп аталат жана биринчи козголгон абалдын энергиясы негизги абалга караганда жогору болот; Дагы бир орбита экинчи козголгон абал деп аталат;

Лазердин пайда болушунун себеби, бул моделде электрондор ар кандай орбиталарда кыймылдайт. Эгерде электрондор энергияны сиңирип алса, алар негизги абалдан дүүлүккөн абалга өтө алышат; эгерде электрон дүүлүккөн абалдан негизги абалга кайтып келсе, ал энергияны бөлүп чыгарат, ал көбүнчө лазер түрүндө бөлүнүп чыгат.

Теориялык негиз 2: Эйнштейндин стимулдаштырылган нурлануу теориясы

1917-жылы Эйнштейн лазерлердин жана лазердик өндүрүштүн теориялык негизи болгон стимулданган нурлануу теориясын сунуштаган: заттын сиңирилиши же эмиссиясы негизинен нурлануу талаасы менен затты түзгөн бөлүкчөлөрдүн өз ара аракеттенүүсүнүн натыйжасы болуп саналат жана анын негизги маңызы бөлүкчөлөрдүн ар кандай энергия деңгээлдеринин ортосунда өтүшү болуп саналат. Жарык менен заттын өз ара аракеттенүүсүндө үч башка процесс бар: өзүнөн-өзү пайда болгон эмиссия, стимулданган эмиссия жана стимулданган сиңирүү. Көп сандаган бөлүкчөлөрдү камтыган система үчүн бул үч процесс ар дайым бирге жашайт жана тыгыз байланышта болот.

Өзүнөн-өзү пайда болгон эмиссия:

Сүрөттө көрсөтүлгөндөй: жогорку энергиялуу E2 деңгээлиндеги электрон өзүнөн-өзү төмөнкү энергиялуу E1 деңгээлине өтүп, hv энергиясына ээ болгон фотонду бөлүп чыгарат жана hv=E2-E1; Бул өзүнөн-өзү жана байланышсыз өтүү процесси өзүнөн-өзү өтүү деп аталат, ал эми өзүнөн-өзү өтүү аркылуу чыккан жарык толкундары өзүнөн-өзү пайда болгон нурлануу деп аталат.

Спонтандык нурлануунун мүнөздөмөлөрү: Ар бир фотон көз карандысыз, ар кандай багыттары жана фазалары бар, жана пайда болуу убактысы да кокустук. Ал когеренттүү эмес жана башаламан жарыкка кирет, ал лазерге керектүү жарык эмес. Ошондуктан, лазерди пайда кылуу процессинде бул типтеги адашкан жарыкты азайтуу керек. Бул ошондой эле ар кандай лазерлердин толкун узундугунда адашкан жарыктын болушунун себептеринин бири. Эгерде жакшы башкарылса, лазердеги спонтандык нурлануунун үлүшүн этибарга албай коюуга болот. Лазер канчалык таза болсо, мисалы, 1060 нм, ал баары 1060 нм. Бул типтеги лазер салыштырмалуу туруктуу жутуу ылдамдыгына жана кубаттуулугуна ээ.

Стимулданган сиңирүү:

Электрондор төмөнкү энергия деңгээлдеринде (төмөнкү орбиталдарда) фотондорду сиңиргенден кийин жогорку энергия деңгээлдерине (жогорку орбиталдарда) өтөт жана бул процесс стимулдаштырылган абсорбция деп аталат. Стимулдаштырылган абсорбция абдан маанилүү жана негизги насостук процесстердин бири. Лазердин насостук булагы фотон энергиясын берет, ал күчөтүүчү чөйрөдөгү бөлүкчөлөрдүн өтүшүн шарттайт жана жогорку энергия деңгээлдеринде стимулдаштырылган нурланууну күтөт, лазерди чыгарат.

Стимулданган нурлануу:

Тышкы энергиянын жарыгы (hv=E2-E1) менен нурландырылганда, жогорку энергия деңгээлиндеги электрон тышкы фотон тарабынан дүүлүктүрүлүп, төмөнкү энергия деңгээлине секирип түшөт (жогорку орбита төмөнкү орбитага чейин созулат). Ошол эле учурда, ал тышкы фотон менен дал келген фотонду бөлүп чыгарат. Бул процесс баштапкы дүүлүктүрүүчү жарыкты сиңирбейт, ошондуктан эки бирдей фотон болот, муну электрон мурда сиңирилген фотонду бөлүп чыгарат деп түшүнсө болот. Бул люминесценция процесси стимуляцияланган нурлануу деп аталат, ал стимуляцияланган сиңирүүнүн тескери процесси.

Теория түшүнүктүү болгондон кийин, жогорудагы сүрөттө көрсөтүлгөндөй, лазерди куруу абдан жөнөкөй: материалдык туруктуулуктун кадимки шарттарында электрондордун басымдуу көпчүлүгү негизги абалда, электрондор негизги абалда болот жана лазер стимулданган нурланууга көз каранды. Ошондуктан, лазердин түзүлүшү алгач стимулданган сиңирүүнүн пайда болушуна мүмкүндүк берүү, электрондорду жогорку энергия деңгээлине жеткирүү, андан кийин көп сандагы жогорку энергия деңгээлиндеги электрондордун стимулданган нурланууга дуушар болушун шарттоо үчүн дүүлүктүрүүнү камсыз кылуу, фотондорду бөлүп чыгаруу. Мындан лазерди түзүүгө болот. Андан кийин, биз лазердин түзүлүшүн тааныштырабыз.

Лазердин түзүлүшү:

Лазердин түзүлүшүн мурда айтылган лазердин пайда болуу шарттары менен бир-бирден дал келтириңиз:

Пайда болуу шарты жана тиешелүү түзүлүш:

1. Лазердик жумушчу чөйрө катары күчөтүү эффектин камсыз кылган күчөтүү чөйрөсү бар жана анын активдештирилген бөлүкчөлөрү стимулданган нурланууну пайда кылууга ылайыктуу энергия деңгээлиндеги түзүлүшкө ээ (негизинен электрондорду жогорку энергиялуу орбиталдарга айдап, белгилүү бир убакыт аралыгында жашап, андан кийин стимулданган нурлануу аркылуу бир дем менен фотондорду бөлүп чыгара алат);

2. YAG лазерлериндеги ксенон лампасы сыяктуу, электрондорду төмөнкү деңгээлден жогорку деңгээлге айдап, лазердин жогорку жана төмөнкү деңгээлдеринин ортосунда бөлүкчөлөрдүн санынын инверсиясын пайда кыла турган тышкы козгоо булагы (насос булагы) бар;

3. Лазердик термелүүнүн пайда болушуна, лазердик жумушчу материалдын иштөө узактыгынын көбөйүшүнө, жарык толкунунун режимин экрандоого, нурдун таралуу багытын башкарууга, монохроматтуулукту жакшыртуу үчүн стимулданган нурлануу жыштыгын тандап күчөтүүгө (лазердин белгилүү бир энергияда чыгарылышын камсыз кылууга) мүмкүндүк берген резонанстык көңдөй бар.

Тиешелүү түзүлүш жогорудагы сүрөттө көрсөтүлгөн, ал YAG лазеринин жөнөкөй түзүлүшү. Башка түзүлүштөр татаалыраак болушу мүмкүн, бирок негизгиси ушул. Лазерди генерациялоо процесси сүрөттө көрсөтүлгөн:

Лазердин классификациясы: жалпысынан күчөтүү чөйрөсү же лазер энергиясынын формасы боюнча классификацияланат

Орточо классификацияны жогорулатуу:

Көмүр кычкыл газынын лазериКөмүр кычкыл газы лазеринин күчөтүүчү чөйрөсү гелий жанаCO2 лазери,10,6 мкм толкун узундугу менен лазердик ширетүү алгачкы лазердик продуктулардын бири болуп саналат. Алгачкы лазердик ширетүү негизинен көмүр кычкыл газы лазерине негизделген, ал учурда негизинен металл эмес материалдарды (кездемелер, пластмассалар, жыгач ж.б.) ширетүү жана кесүү үчүн колдонулат. Мындан тышкары, ал литографиялык машиналарда да колдонулат. Көмүр кычкыл газы лазери оптикалык булалар аркылуу өткөрүлбөйт жана мейкиндик оптикалык жолдор аркылуу өтөт. Алгачкы Тонгкуай салыштырмалуу жакшы жасалган жана көптөгөн кесүүчү жабдуулар колдонулган;

YAG (иттрий алюминий гранаты) лазери: лазердин күчөтүүчү каражаты катары неодим (Nd) же иттрий (Yb) металл иондору менен легирленген YAG кристаллдары колдонулат, алардын эмиссия толкун узундугу 1,06 мкм. YAG лазери жогорку импульстарды чыгара алат, бирок орточо кубаттуулук төмөн, ал эми эң жогорку кубаттуулук орточо кубаттуулуктан 15 эсеге жетиши мүмкүн. Эгерде ал негизинен импульстук лазер болсо, үзгүлтүксүз чыгарууга жетишүү мүмкүн эмес; Бирок ал оптикалык булалар аркылуу берилиши мүмкүн, ошол эле учурда металл материалдарынын сиңирүү ылдамдыгы жогорулайт жана ал биринчи жолу 3C тармагында колдонулган жогорку чагылдыруучу материалдарда колдонула баштайт;

Була лазер: Учурдагы рыноктогу негизги агым күчөтүүчү каражат катары иттербий кошулган буланы колдонот, анын толкун узундугу 1060 нм. Ал чөйрөнүн формасына жараша була жана диск лазерлерине бөлүнөт; була-оптикалык IPGди, ал эми диск Тонгкуайды билдирет.

Жарым өткөргүч лазер: Күчөтүүчү чөйрө жарым өткөргүч PN өткөөлү болуп саналат жана жарым өткөргүч лазердин толкун узундугу негизинен 976 нм. Учурда жарым өткөргүчкө жакын инфракызыл лазерлер негизинен каптоо үчүн колдонулат, жарык тактары 600 мкмден жогору. Laserline жарым өткөргүч лазерлердин өкүлчүлүктүү ишканасы болуп саналат.

Энергиянын таасир этүү формасы боюнча классификацияланат: Импульстук лазер (PULSE), квазиүзгүлтүксүз лазер (QCW), үзгүлтүксүз лазер (CW)

Импульстук лазер: наносекунд, пикосекунд, фемтосекунд, бул жогорку жыштыктагы импульстук лазер (нс, импульс туурасы) көбүнчө жогорку чоку энергиясын, жогорку жыштыктагы (МГц) иштетүүгө жетише алат, жука жез жана алюминий сыяктуу ар кандай материалдарды иштетүүдө, ошондой эле көбүнчө тазалоодо колдонулат. Жогорку чоку энергиясын колдонуу менен, ал негизги материалды тез эритип, аз аракет убактысын жана кичинекей жылуулук таасир этүүчү зонаны камсыздай алат. Ал өтө жука материалдарды (0,5 ммден төмөн) иштетүүдө артыкчылыктарга ээ;

Квази үзгүлтүксүз лазер (QCW): кайталоо ылдамдыгы жогору жана жумуш цикли төмөн болгондуктан (50% дан төмөн), импульстун туурасыQCW лазери50 мкс-50 мс жетет, киловатт деңгээлиндеги үзгүлтүксүз була лазери менен Q-коммутацияланган импульстук лазердин ортосундагы боштукту толтурат; жарым үзгүлтүксүз була лазеринин эң жогорку кубаттуулугу үзгүлтүксүз режимде иштөөдө орточо кубаттуулуктун 10 эсесине жетиши мүмкүн. QCW лазерлери, адатта, эки режимге ээ, бири - аз кубаттуулукта үзгүлтүксүз ширетүү, экинчиси - орточо кубаттуулуктун 10 эсе жогорку кубаттуулугу бар импульстук лазердик ширетүү, бул калың материалдарды жана көбүрөөк жылуулук менен ширетүүнү камсыздай алат, ошол эле учурда жылуулукту өтө кичинекей диапазондо башкарат;

Үзгүлтүксүз лазер (ҮЛЛ): Бул эң көп колдонулат жана рынокто кездешкен лазерлердин көпчүлүгү ширетүү үчүн үзгүлтүксүз лазер чыгарган ҮЛЛЛ лазерлери. Була лазерлери ар кандай өзөк диаметрлерине жана нур сапаттарына жараша бир режимдүү жана көп режимдүү лазерлерге бөлүнөт жана ар кандай колдонмо сценарийлерине ылайыкташтырылышы мүмкүн.