اصل تولید لیزر

چرا باید اصل لیزر را بدانیم؟

دانستن تفاوت بین لیزرهای نیمه هادی رایج، فیبرها، دیسک ها ولیزر YAGهمچنین می تواند به درک بهتر و مشارکت در بحث های بیشتر در طول فرآیند انتخاب کمک کند.

این مقاله عمدتاً بر روی علم عامه متمرکز است: مقدمه ای کوتاه بر اصل تولید لیزر، ساختار اصلی لیزرها و چندین نوع رایج لیزر.

اولا، اصل تولید لیزر

لیزر از طریق تعامل بین نور و ماده تولید می شود که به عنوان تقویت تشعشع تحریک شده شناخته می شود. درک تقویت تشعشعات تحریک شده مستلزم درک مفاهیم انیشتین در مورد گسیل خود به خود، جذب تحریک شده و تشعشع تحریک شده و همچنین برخی مبانی نظری ضروری است.

مبانی نظری 1: مدل بور

مدل بور عمدتاً ساختار داخلی اتم ها را ارائه می دهد و درک چگونگی رخ دادن لیزرها را آسان می کند. یک اتم از یک هسته و الکترون های خارج از هسته تشکیل شده است و اوربیتال های الکترون ها دلخواه نیستند. الکترون‌ها فقط اوربیتال‌های خاصی دارند که در میان آنها درونی‌ترین اوربیتال حالت پایه نامیده می‌شود. اگر الکترون در حالت پایه باشد، انرژی آن کمترین مقدار است. اگر یک الکترون از مدار خارج شود، آن را اولین حالت برانگیخته می نامند و انرژی اولین حالت برانگیخته بیشتر از حالت پایه خواهد بود. مدار دیگر حالت برانگیخته دوم نامیده می شود.

دلیل اینکه لیزر می تواند رخ دهد این است که الکترون ها در مدارهای مختلف در این مدل حرکت می کنند. اگر الکترون ها انرژی را جذب کنند، می توانند از حالت پایه به حالت برانگیخته حرکت کنند. اگر یک الکترون از حالت برانگیخته به حالت پایه برگردد، انرژی آزاد می کند که اغلب به شکل لیزر آزاد می شود.

مبانی نظری 2: نظریه تشعشعات تحریک شده اینشتین

در سال 1917، انیشتین نظریه تابش تحریک شده را ارائه کرد، که مبنای نظری لیزر و تولید لیزر است: جذب یا انتشار ماده اساساً نتیجه برهمکنش بین میدان تابش و ذرات تشکیل دهنده ماده و هسته آن است. ذات انتقال ذرات بین سطوح مختلف انرژی است. سه فرآیند مختلف در تعامل بین نور و ماده وجود دارد: گسیل خود به خود، انتشار تحریک شده و جذب تحریک شده. برای سیستمی که دارای تعداد زیادی ذره است، این سه فرآیند همیشه در کنار هم وجود دارند و ارتباط نزدیکی با هم دارند.

انتشار خود به خود:

همانطور که در شکل نشان داده شده است: یک الکترون در سطح پرانرژی E2 به طور خود به خود به سطح کم انرژی E1 منتقل می شود و فوتونی با انرژی hv و hv=E2-E1 ساطع می کند. این فرآیند انتقال خود به خود و نامرتبط را گذار خود به خود و امواج نوری ساطع شده از انتقال خود به خود را تابش خود به خودی می نامند.

ویژگی های گسیل خود به خود: هر فوتون مستقل، با جهت ها و فازهای مختلف است و زمان وقوع نیز تصادفی است. متعلق به نور نامنسجم و آشفته است که نور مورد نیاز لیزر نیست. بنابراین، فرآیند تولید لیزر نیاز به کاهش این نوع نور سرگردان دارد. این نیز یکی از دلایلی است که طول موج لیزرهای مختلف دارای نور سرگردان است. اگر به خوبی کنترل شود، نسبت انتشار خود به خود در لیزر را می توان نادیده گرفت. هرچه لیزر خالص تر باشد، مانند 1060 نانومتر، تمام آن 1060 نانومتر است، این نوع لیزر دارای نرخ جذب و قدرت نسبتاً پایداری است.

جذب تحریک شده:

الکترون‌ها در سطوح کم انرژی (اوربیتال‌های کم)، پس از جذب فوتون‌ها، به سطوح انرژی بالاتر (اوربیتال‌های بالا) منتقل می‌شوند و به این فرآیند جذب تحریک‌شده می‌گویند. جذب تحریک شده بسیار مهم و یکی از فرآیندهای پمپاژ کلیدی است. منبع پمپ لیزر انرژی فوتونی را فراهم می کند تا ذرات موجود در محیط افزایش را به حالت گذار وادار کند و منتظر تشعشع تحریک شده در سطوح انرژی بالاتر باشد و لیزر را ساطع کند.

تشعشعات تحریک شده:

هنگامی که توسط نور انرژی خارجی تابش می شود (hv=E2-E1)، الکترون در سطح انرژی بالا توسط فوتون خارجی برانگیخته می شود و به سطح انرژی پایین می پرد (مدار بالا به مدار پایین می رود). در عین حال فوتونی را منتشر می کند که دقیقاً مشابه فوتون خارجی است. این فرآیند نور تحریک اولیه را جذب نمی‌کند، بنابراین دو فوتون یکسان وجود خواهد داشت که می‌توان آن‌ها را فهمید که الکترون فوتون قبلا جذب شده را بیرون می‌ریزد.

پس از مشخص شدن تئوری، ساختن لیزر بسیار ساده است، همانطور که در شکل بالا نشان داده شده است: در شرایط عادی پایداری مواد، اکثریت قریب به اتفاق الکترون ها در حالت پایه، الکترون ها در حالت پایه هستند و لیزر بستگی به تشعشعات تحریک شده بنابراین، ساختار لیزر این است که اجازه می‌دهد ابتدا جذب تحریک‌شده اتفاق بیفتد، الکترون‌ها را به سطح انرژی بالا می‌آورد، و سپس تحریکی ایجاد می‌کند تا تعداد زیادی از الکترون‌های سطح انرژی بالا تحت تابش تحریک‌شده قرار گیرند و فوتون‌ها آزاد شوند. لیزر می تواند تولید شود. در ادامه به معرفی ساختار لیزر می پردازیم.

ساختار لیزری:

ساختار لیزر را با شرایط تولید لیزر که قبلا ذکر شد یکی یکی مطابقت دهید:

شرایط وقوع و ساختار مربوطه:

1. یک محیط بهره وجود دارد که اثر تقویت را به عنوان محیط کار لیزر فراهم می کند، و ذرات فعال آن ساختار سطح انرژی مناسبی برای تولید تابش تحریک شده دارند (عمدتا قادر به پمپاژ الکترون ها به اوربیتال های پرانرژی هستند و برای مدت زمان معینی وجود دارند. ، و سپس فوتون ها را در یک نفس از طریق تشعشعات تحریک شده آزاد می کنند).

2. یک منبع تحریک خارجی (منبع پمپ) وجود دارد که می تواند الکترون ها را از سطح پایین به سطح بالایی پمپ کند و باعث وارونگی عدد ذرات بین سطوح بالایی و پایینی لیزر شود (یعنی زمانی که ذرات پر انرژی بیشتر از ذرات کم انرژی)، مانند لامپ زنون در لیزرهای YAG؛

3. یک حفره تشدید وجود دارد که می تواند به نوسان لیزر برسد، طول کار مواد کار لیزر را افزایش دهد، حالت موج نور را نمایش دهد، جهت انتشار پرتو را کنترل کند، فرکانس تابش تحریک شده را به طور انتخابی تقویت کند تا تک رنگی را بهبود بخشد (تضمین اینکه لیزر با انرژی مشخصی خروجی می شود).

ساختار مربوطه در شکل بالا نشان داده شده است که یک ساختار ساده از لیزر YAG است. ساختارهای دیگر ممکن است پیچیده تر باشند، اما هسته اصلی این است. فرآیند تولید لیزر در شکل نشان داده شده است:

طبقه بندی لیزری: به طور کلی بر اساس محیط افزایش یا بر اساس شکل انرژی لیزر طبقه بندی می شود

کسب طبقه بندی متوسط:

لیزر دی اکسید کربن: محیط بهره لیزر دی اکسید کربن هلیوم ولیزر CO2،با طول موج لیزر 10.6m که یکی از اولین محصولات لیزری است که به بازار عرضه شده است. جوشکاری لیزر اولیه عمدتاً مبتنی بر لیزر دی اکسید کربن بود که در حال حاضر عمدتاً برای جوشکاری و برش مواد غیر فلزی (پارچه، پلاستیک، چوب و غیره) استفاده می شود. علاوه بر این، در دستگاه های لیتوگرافی نیز استفاده می شود. لیزر دی اکسید کربن را نمی توان از طریق فیبرهای نوری منتقل کرد و از طریق مسیرهای نوری فضایی حرکت می کند، اولین Tongkuai نسبتاً خوب انجام شد و تجهیزات برش زیادی استفاده شد.

لیزر YAG (یتریوم آلومینیوم گارنت): کریستال های YAG دوپ شده با یون های فلزی نئودیمیم (Nd) یا ایتریم (Yb) به عنوان محیط افزایش لیزر، با طول موج انتشار 1.06 میکرومتر استفاده می شود. لیزر YAG می تواند پالس های بالاتری تولید کند، اما توان متوسط ​​کم است و اوج توان می تواند به 15 برابر توان متوسط ​​برسد. اگر عمدتاً یک لیزر پالسی باشد، خروجی پیوسته نمی تواند حاصل شود. اما می تواند از طریق فیبرهای نوری منتقل شود، و در همان زمان، نرخ جذب مواد فلزی افزایش می یابد، و شروع به استفاده از آن در مواد با بازتاب بالا، برای اولین بار در زمینه 3C می شود.

لیزر فیبر: جریان اصلی کنونی در بازار از فیبر دوپ شده ایتربیوم به عنوان محیط افزایش با طول موج 1060 نانومتر استفاده می کند. بر اساس شکل محیط به لیزرهای فیبر و دیسک تقسیم می شود. فیبر نوری نشان دهنده IPG است، در حالی که دیسک نشان دهنده Tongkuai است.

لیزر نیمه هادی: محیط افزایش یک اتصال PN نیمه هادی است و طول موج لیزر نیمه هادی عمدتاً 976 نانومتر است. در حال حاضر، لیزرهای نیمه هادی نزدیک به مادون قرمز عمدتا برای روکش، با نقاط نوری بالای 600um استفاده می شود. Laserline یک شرکت نماینده لیزرهای نیمه هادی است.

طبقه بندی بر اساس شکل عمل انرژی: لیزر پالس (PULSE)، لیزر شبه پیوسته (QCW)، لیزر پیوسته (CW)

لیزر پالسی: نانوثانیه، پیکوثانیه، فمتوثانیه، این لیزر پالس با فرکانس بالا (ns، عرض پالس) اغلب می‌تواند به اوج انرژی بالا، پردازش فرکانس بالا (MHZ) دست یابد، که برای پردازش مواد نازک مس و آلومینیوم و همچنین تمیز کردن بیشتر استفاده می‌شود. . با استفاده از انرژی پیک بالا، می تواند به سرعت مواد پایه را با زمان عمل کم و منطقه تحت تأثیر حرارت کوچک ذوب کند. در پردازش مواد بسیار نازک (زیر 0.5 میلی متر) مزایایی دارد.

لیزر شبه پیوسته (QCW): به دلیل سرعت تکرار بالا و چرخه کاری کم (زیر 50%)، عرض پالسلیزر QCWبه 50 us-50 ms می رسد و شکاف بین لیزر فیبر پیوسته سطح کیلووات و لیزر پالس سوئیچ کیو را پر می کند. حداکثر توان لیزر فیبر شبه پیوسته می تواند به 10 برابر توان متوسط ​​در عملکرد حالت پیوسته برسد. لیزرهای QCW به طور کلی دارای دو حالت هستند، یکی جوشکاری پیوسته در توان کم و دیگری جوشکاری لیزری پالسی با توان حداکثر 10 برابر توان متوسط ​​است که می تواند به مواد ضخیم تر و جوش حرارتی بیشتری دست یابد، در حالی که گرما را در یک دستگاه کنترل می کند. برد بسیار کوچک؛

لیزر پیوسته (CW): این پرکاربردترین است و بیشتر لیزرهایی که در بازار دیده می‌شوند، لیزرهای CW هستند که به طور پیوسته لیزر برای پردازش جوشکاری تولید می‌کنند. لیزرهای فیبر با توجه به قطر هسته و کیفیت پرتوهای مختلف به لیزرهای تک حالته و چند حالته تقسیم می شوند و می توانند با سناریوهای کاربردی مختلف سازگار شوند.