Principio della generazione laser

Perché abbiamo bisogno di conoscere il principio dei laser?

Conoscere le differenze tra i comuni laser a semiconduttore, fibre, dischi eLaser YAGpuò anche aiutare ad acquisire una migliore comprensione e a impegnarsi in più discussioni durante il processo di selezione.

L'articolo si concentra principalmente sulla divulgazione scientifica: una breve introduzione al principio della generazione laser, alla struttura principale dei laser e a diversi tipi comuni di laser.

Innanzitutto, il principio della generazione laser

Il laser viene generato attraverso l'interazione tra luce e materia, nota come amplificazione della radiazione stimolata; Per comprendere l'amplificazione della radiazione stimolata è necessario comprendere i concetti di Einstein di emissione spontanea, assorbimento stimolato e radiazione stimolata, nonché alcuni fondamenti teorici necessari.

Base Teorica 1: Modello di Bohr

Il modello di Bohr fornisce principalmente la struttura interna degli atomi, rendendo facile comprendere come si formano i laser. Un atomo è composto da un nucleo e da elettroni esterni al nucleo e gli orbitali degli elettroni non sono arbitrari. Gli elettroni hanno solo determinati orbitali, tra i quali l'orbitale più interno è chiamato stato fondamentale; Se un elettrone è nello stato fondamentale, la sua energia è minima. Se un elettrone salta fuori da un'orbita, si chiama primo stato eccitato e l'energia del primo stato eccitato sarà maggiore di quella dello stato fondamentale; Un'altra orbita è chiamata secondo stato eccitato;

Il motivo per cui il laser può verificarsi è perché gli elettroni si sposteranno in orbite diverse in questo modello. Se gli elettroni assorbono energia, possono passare dallo stato fondamentale allo stato eccitato; Se un elettrone ritorna dallo stato eccitato allo stato fondamentale, rilascerà energia, che spesso viene rilasciata sotto forma di laser.

Base teorica 2: teoria della radiazione stimolata di Einstein

Nel 1917 Einstein propone la teoria della radiazione stimolata, che costituisce la base teorica dei laser e della loro produzione: l'assorbimento o l'emissione della materia è essenzialmente il risultato dell'interazione tra il campo di radiazione e le particelle che compongono la materia, e il suo nucleo l'essenza è la transizione delle particelle tra diversi livelli energetici. Esistono tre diversi processi nell'interazione tra luce e materia: emissione spontanea, emissione stimolata e assorbimento stimolato. Per un sistema contenente un gran numero di particelle, questi tre processi coesistono sempre e sono strettamente correlati.

Emissione spontanea:

Come mostrato nella figura: un elettrone sul livello ad alta energia E2 passa spontaneamente al livello a bassa energia E1 ed emette un fotone con un'energia hv e hv=E2-E1; Questo processo di transizione spontaneo e non correlato è chiamato transizione spontanea e le onde luminose emesse dalle transizioni spontanee sono chiamate radiazione spontanea.

Le caratteristiche dell'emissione spontanea: Ogni fotone è indipendente, con direzioni e fasi diverse, e anche il tempo di occorrenza è casuale. Appartiene alla luce incoerente e caotica, che non è la luce richiesta dal laser. Pertanto, il processo di generazione del laser deve ridurre questo tipo di luce diffusa. Questo è anche uno dei motivi per cui la lunghezza d'onda di vari laser presenta luce diffusa. Se controllata bene, la percentuale di emissione spontanea nel laser può essere ignorata. Più puro è il laser, ad esempio 1060 nm, sarà tutto 1060 nm. Questo tipo di laser ha un tasso di assorbimento e una potenza relativamente stabili.

Assorbimento stimolato:

Gli elettroni a livelli energetici bassi (orbitali bassi), dopo aver assorbito i fotoni, passano a livelli energetici più alti (orbitali alti) e questo processo è chiamato assorbimento stimolato. L'assorbimento stimolato è cruciale e uno dei processi chiave di pompaggio. La sorgente della pompa del laser fornisce energia fotonica per far sì che le particelle nel mezzo di guadagno effettuino la transizione e attendano la radiazione stimolata a livelli di energia più elevati, emettendo il laser.

Radiazione stimolata:

Quando irradiato dalla luce di energia esterna (hv=E2-E1), l'elettrone al livello di alta energia viene eccitato dal fotone esterno e salta al livello di energia basso (l'orbita alta corre verso l'orbita bassa). Allo stesso tempo emette un fotone esattamente uguale al fotone esterno. Questo processo non assorbe la luce di eccitazione originale, quindi ci saranno due fotoni identici, che possono essere compresi poiché l'elettrone sputa il fotone precedentemente assorbito. Questo processo di luminescenza è chiamato radiazione stimolata, che è il processo inverso dell'assorbimento stimolato.

Dopo che la teoria è chiara, è molto semplice costruire un laser, come mostrato nella figura sopra: in normali condizioni di stabilità del materiale, la stragrande maggioranza degli elettroni si trova nello stato fondamentale, gli elettroni nello stato fondamentale e il laser dipende da radiazione stimolata. Pertanto, la struttura del laser è quella di consentire prima l'assorbimento stimolato, portando gli elettroni al livello di alta energia, e quindi fornendo un'eccitazione per far sì che un gran numero di elettroni di alto livello di energia subiscano una radiazione stimolata, rilasciando fotoni. il laser può essere generato. Successivamente, introdurremo la struttura del laser.

Struttura del laser:

Abbina la struttura del laser alle condizioni di generazione del laser menzionate in precedenza una per una:

Condizione di accadimento e struttura corrispondente:

1. Esiste un mezzo di guadagno che fornisce un effetto di amplificazione come mezzo di lavoro del laser e le sue particelle attivate hanno una struttura di livello energetico adatta a generare radiazione stimolata (principalmente in grado di pompare elettroni in orbitali ad alta energia ed esistere per un certo periodo di tempo , e quindi rilasciare fotoni d'un fiato attraverso la radiazione stimolata);

2. Esiste una sorgente di eccitazione esterna (sorgente a pompa) che può pompare elettroni dal livello inferiore a quello superiore, causando l'inversione del numero di particelle tra i livelli superiore e inferiore del laser (cioè quando ci sono più particelle ad alta energia che particelle a bassa energia), come la lampada allo xeno nei laser YAG;

3. È presente una cavità risonante che può ottenere l'oscillazione del laser, aumentare la lunghezza di lavoro del materiale di lavoro del laser, schermare la modalità dell'onda luminosa, controllare la direzione di propagazione del raggio, amplificare selettivamente la frequenza della radiazione stimolata per migliorare la monocromaticità (garantendo che il il laser viene emesso con una certa energia).

La struttura corrispondente è mostrata nella figura sopra, che è una semplice struttura di un laser YAG. Altre strutture possono essere più complesse, ma il nocciolo della questione è questo. Il processo di generazione del laser è mostrato in figura:

Classificazione dei laser: generalmente classificati per mezzo di guadagno o per forma di energia laser

Ottieni la classificazione media:

Laser ad anidride carbonica: Il mezzo di guadagno del laser ad anidride carbonica è l'elio eLaser CO2,con una lunghezza d'onda laser di 10,6um, che è uno dei primi prodotti laser ad essere lanciato. La prima saldatura laser si basava principalmente sul laser ad anidride carbonica, che attualmente viene utilizzato principalmente per la saldatura e il taglio di materiali non metallici (tessuti, plastica, legno, ecc.). Inoltre, viene utilizzato anche su macchine litografiche. Il laser ad anidride carbonica non può essere trasmesso attraverso fibre ottiche e viaggia attraverso percorsi ottici spaziali. Il primo Tongkuai era fatto relativamente bene e venivano utilizzate molte attrezzature da taglio;

Laser YAG (granato di ittrio e alluminio): cristalli YAG drogati con ioni metallici di neodimio (Nd) o ittrio (Yb) vengono utilizzati come mezzo di guadagno del laser, con una lunghezza d'onda di emissione di 1,06um. Il laser YAG può emettere impulsi più elevati, ma la potenza media è bassa e la potenza di picco può raggiungere 15 volte la potenza media. Se si tratta principalmente di un laser a impulsi, non è possibile ottenere un'emissione continua; Ma può essere trasmesso attraverso le fibre ottiche e, allo stesso tempo, aumenta il tasso di assorbimento dei materiali metallici e sta cominciando ad essere applicato in materiali ad alta riflettività, applicati per la prima volta nel campo 3C;

Laser a fibra: l'attuale mainstream sul mercato utilizza la fibra drogata con itterbio come mezzo di guadagno, con una lunghezza d'onda di 1060 nm. Viene ulteriormente suddiviso in laser a fibra e a disco in base alla forma del mezzo; La fibra ottica rappresenta IPG, mentre il disco rappresenta Tongkuai.

Laser a semiconduttore: il mezzo di guadagno è una giunzione PN a semiconduttore e la lunghezza d'onda del laser a semiconduttore è principalmente a 976 nm. Attualmente, i laser a semiconduttore nel vicino infrarosso vengono utilizzati principalmente per il rivestimento, con punti luminosi superiori a 600um. Laserline è un'impresa rappresentativa dei laser a semiconduttore.

Classificato in base alla forma di azione energetica: laser a impulsi (PULSE), laser quasi continuo (QCW), laser continuo (CW)

Laser a impulsi: nanosecondo, picosecondo, femtosecondo, questo laser a impulsi ad alta frequenza (ns, larghezza di impulso) può spesso raggiungere un'elevata energia di picco, elaborazione ad alta frequenza (MHZ), utilizzato per la lavorazione di materiali sottili di rame e alluminio dissimili, nonché per la maggior parte della pulizia . Utilizzando un'energia di picco elevata, può sciogliere rapidamente il materiale di base, con un tempo di azione basso e una piccola zona interessata dal calore. Presenta vantaggi nella lavorazione di materiali ultrasottili (sotto 0,5 mm);

Laser quasi continuo (QCW): a causa dell'elevata frequenza di ripetizione e del basso ciclo di lavoro (inferiore al 50%), l'ampiezza dell'impulso diLaser QCWraggiunge 50 us-50 ms, colmando il divario tra il laser a fibra continua a livello di kilowatt e il laser a impulsi Q-switched; La potenza di picco di un laser a fibra quasi continuo può raggiungere 10 volte la potenza media in modalità continua. I laser QCW generalmente hanno due modalità, una è la saldatura continua a bassa potenza e l'altra è la saldatura laser pulsata con una potenza di picco di 10 volte la potenza media, che può ottenere materiali più spessi e una maggiore saldatura a caldo, controllando anche il calore all'interno di un portata molto piccola;

Laser continuo (CW): questo è il più comunemente utilizzato e la maggior parte dei laser presenti sul mercato sono laser CW che emettono laser in modo continuo per il processo di saldatura. I laser a fibra sono suddivisi in laser monomodali e multimodali in base ai diversi diametri del nucleo e qualità del raggio e possono essere adattati a diversi scenari applicativi.