Principio di generazione laser

Perché è importante conoscere il principio di funzionamento dei laser?

Conoscere le differenze tra laser a semiconduttore comuni, fibre, dischi elaser YAGpuò anche contribuire a una migliore comprensione e a un maggior numero di discussioni durante il processo di selezione.

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

Innanzitutto, il principio di 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 indispensabili.

Base teorica 1: Modello di Bohr

Il modello di Bohr fornisce principalmente la struttura interna degli atomi, facilitando la comprensione del funzionamento dei laser. Un atomo è composto da un nucleo e da elettroni esterni al nucleo, e gli orbitali degli elettroni non sono casuali. Gli elettroni hanno solo determinati orbitali, tra i quali l'orbitale più interno è chiamato stato fondamentale; se un elettrone si trova nello stato fondamentale, la sua energia è minima. Se un elettrone salta da un'orbita, si parla di primo stato eccitato, e l'energia del primo stato eccitato sarà maggiore di quella dello stato fondamentale; l'orbita successiva è chiamata secondo stato eccitato;

Il fenomeno del laser si verifica perché, in questo modello, gli elettroni si muovono su orbite diverse. Se gli elettroni assorbono energia, possono passare dallo stato fondamentale allo stato eccitato; se un elettrone ritorna dallo stato eccitato allo stato fondamentale, rilascia energia, che spesso viene rilasciata sotto forma di laser.

Base teorica 2: la teoria della radiazione stimolata di Einstein

Nel 1917, Einstein propose la teoria della radiazione stimolata, che costituisce la base teorica per i laser e la loro produzione: l'assorbimento o l'emissione di materia è essenzialmente il risultato dell'interazione tra il campo di radiazione e le particelle che compongono la materia, e la sua essenza principale risiede nella transizione delle particelle tra diversi livelli energetici. Nell'interazione tra luce e materia si distinguono tre processi principali: 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 illustrato in figura: un elettrone sul livello energetico superiore E2 passa spontaneamente al livello energetico inferiore E1 ed emette un fotone con un'energia hv, dove hv = E2 - E1; questo processo di transizione spontaneo e indipendente 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 categoria della 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 ben controllata, la proporzione di emissione spontanea nel laser può essere trascurata. Più puro è il laser, ad esempio a 1060 nm, più è composto interamente da 1060 nm. Questo tipo di laser ha un tasso di assorbimento e una potenza relativamente stabili.

Assorbimento stimolato:

Gli elettroni a bassi livelli energetici (orbitali bassi), dopo aver assorbito fotoni, passano a livelli energetici superiori (orbitali alti), e questo processo è chiamato assorbimento stimolato. L'assorbimento stimolato è cruciale ed è uno dei processi di pompaggio chiave. La sorgente di pompaggio del laser fornisce energia fotonica per indurre le particelle nel mezzo di guadagno a passare a livelli energetici superiori, dove attendono la radiazione stimolata, emettendo il laser.

Radiazione stimolata:

Quando irradiato dalla luce di un'energia esterna (hv=E2-E1), l'elettrone al livello energetico superiore viene eccitato dal fotone esterno e salta al livello energetico inferiore (l'orbita superiore passa all'orbita inferiore). Allo stesso tempo, emette un fotone identico al fotone esterno. Questo processo non assorbe la luce di eccitazione originale, quindi si avranno due fotoni identici, il che può essere interpretato come l'elettrone che emette il fotone precedentemente assorbito. Questo processo di luminescenza è chiamato radiazione stimolata, che è il processo inverso dell'assorbimento stimolato.

Una volta chiarita la teoria, è molto semplice costruire un laser, come mostrato nella figura precedente: in condizioni normali di stabilità del materiale, la stragrande maggioranza degli elettroni si trova nello stato fondamentale, e il laser dipende dalla radiazione stimolata. Pertanto, la struttura del laser è progettata per consentire prima l'assorbimento stimolato, portando gli elettroni a un livello energetico superiore, e quindi fornire un'eccitazione per far sì che un gran numero di elettroni ad alta energia subiscano radiazione stimolata, rilasciando fotoni. Da questo processo è possibile generare il laser. Di seguito, introdurremo la struttura del laser.

Struttura del laser:

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

Condizione di occorrenza e struttura corrispondente:

1. È presente un mezzo di guadagno che fornisce un effetto di amplificazione come mezzo di lavoro laser, e le sue particelle attivate hanno una struttura di livelli energetici 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 in un respiro attraverso la radiazione stimolata);

2. È presente una sorgente di eccitazione esterna (sorgente di pompaggio) in grado di pompare elettroni dal livello inferiore a quello superiore, causando un'inversione del numero di particelle tra i livelli superiore e inferiore del laser (ovvero, quando ci sono più particelle ad alta energia che particelle a bassa energia), come ad esempio la lampada allo xeno nei laser YAG;

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

La struttura corrispondente è mostrata nella figura sopra, che rappresenta una struttura semplice di un laser YAG. Altre strutture possono essere più complesse, ma il nucleo è questo. Il processo di generazione del laser è illustrato nella figura:

Classificazione dei laser: generalmente classificati in base al mezzo di guadagno o alla forma dell'energia laser.

Classificazione media di guadagno:

Laser ad anidride carbonica: Il mezzo di guadagno del laser ad anidride carbonica è l'elio eLaser a CO2,con una lunghezza d'onda laser di 10,6 µm, che è uno dei primi prodotti laser ad essere lanciato. La saldatura laser iniziale si basava principalmente sul laser ad anidride carbonica, che attualmente è utilizzato principalmente per la saldatura e il taglio di materiali non metallici (tessuti, plastica, legno, ecc.). Inoltre, viene utilizzato anche nelle macchine per la litografia. Il laser ad anidride carbonica non può essere trasmesso attraverso fibre ottiche e viaggia attraverso percorsi ottici spaziali. I primi Tongkuai furono realizzati relativamente bene e vennero utilizzate molte apparecchiature di taglio;

Laser YAG (ittrio alluminio granato): i cristalli YAG drogati con ioni metallici di neodimio (Nd) o ittrio (Yb) vengono utilizzati come mezzo di guadagno laser, con una lunghezza d'onda di emissione di 1,06 µm. 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; tuttavia, può essere trasmesso attraverso fibre ottiche e, allo stesso tempo, il tasso di assorbimento dei materiali metallici aumenta, e sta iniziando ad essere applicato in materiali ad alta riflettività, inizialmente nel campo 3C;

Laser a fibra: Attualmente, la tecnologia più diffusa sul mercato utilizza fibre drogate con ittrio come mezzo di guadagno, con una lunghezza d'onda di 1060 nm. Si distinguono ulteriormente in laser a fibra e laser a disco in base alla forma del mezzo; i laser a fibra sono rappresentati da IPG, mentre i laser a disco da 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 di 976 nm. Attualmente, i laser a semiconduttore nel vicino infrarosso sono utilizzati principalmente per il rivestimento, con punti luminosi superiori a 600 µm. Laserline è un'azienda rappresentativa nel settore dei laser a semiconduttore.

Classificazione in base alla forma di azione energetica: laser pulsato (PULSE), laser quasi continuo (QCW), laser continuo (CW)

Laser a impulsi: nanosecondi, picosecondi, femtosecondi, questo laser a impulsi ad alta frequenza (ns, larghezza dell'impulso) può spesso raggiungere un'elevata energia di picco, lavorazione ad alta frequenza (MHz), utilizzato per la lavorazione di materiali sottili dissimili come rame e alluminio, nonché principalmente per la pulizia. Utilizzando un'elevata energia di picco, può fondere rapidamente il materiale di base, con tempi di azione ridotti e una piccola zona termicamente alterata. Presenta vantaggi nella lavorazione di materiali ultrasottili (inferiori a 0,5 mm);

Laser quasi continuo (QCW): grazie all'elevata frequenza di ripetizione e al basso duty cycle (inferiore al 50%), la larghezza dell'impulso dilaser QCWraggiunge 50 µs-50 ms, colmando il divario tra il laser a fibra continuo di livello 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 hanno generalmente due modalità: una è la saldatura continua a bassa potenza e l'altra è la saldatura laser pulsata con una potenza di picco pari a 10 volte la potenza media, che consente di saldare materiali più spessi e generare più calore, controllando al contempo il calore entro un intervallo molto ristretto;

Laser a onda continua (CW): questo è il tipo più comunemente utilizzato e la maggior parte dei laser presenti sul mercato sono laser CW che emettono un fascio laser continuo per i processi di saldatura. I laser a fibra si dividono in laser monomodali e multimodali a seconda dei diversi diametri del nucleo e delle qualità del fascio e possono essere adattati a diversi scenari applicativi.