اصل تولید لیزر

چرا باید اصول کار لیزر را بدانیم؟

دانستن تفاوت‌های بین لیزرهای نیمه‌هادی رایج، فیبرها، دیسک‌ها ولیزر یاگهمچنین می‌تواند به درک بهتر و مشارکت در بحث‌های بیشتر در طول فرآیند انتخاب کمک کند.

این مقاله عمدتاً بر علوم رایج تمرکز دارد: مقدمه‌ای مختصر بر اصل تولید لیزر، ساختار اصلی لیزرها و چندین نوع رایج لیزر.

اول، اصل تولید لیزر

لیزر از طریق برهمکنش بین نور و ماده، که به عنوان تقویت تابش تحریک‌شده شناخته می‌شود، تولید می‌شود؛ درک تقویت تابش تحریک‌شده مستلزم درک مفاهیم انیشتین در مورد انتشار خودبه‌خودی، جذب تحریک‌شده و تابش تحریک‌شده و همچنین برخی مبانی نظری لازم است.

مبانی نظری ۱: مدل بور

مدل بور عمدتاً ساختار داخلی اتم‌ها را ارائه می‌دهد و درک چگونگی وقوع لیزرها را آسان می‌کند. یک اتم از یک هسته و الکترون‌های خارج از هسته تشکیل شده است و اوربیتال‌های الکترون‌ها دلخواه نیستند. الکترون‌ها فقط اوربیتال‌های خاصی دارند که در میان آنها، درونی‌ترین اوربیتال، حالت پایه نامیده می‌شود. اگر الکترونی در حالت پایه باشد، انرژی آن کمترین است. اگر الکترونی از مداری خارج شود، به آن اولین حالت برانگیخته گفته می‌شود و انرژی اولین حالت برانگیخته بیشتر از حالت پایه خواهد بود. مدار دیگر، دومین حالت برانگیخته نامیده می‌شود.

دلیل وقوع لیزر این است که الکترون‌ها در این مدل در مدارهای مختلف حرکت می‌کنند. اگر الکترون‌ها انرژی جذب کنند، می‌توانند از حالت پایه به حالت برانگیخته بروند. اگر الکترونی از حالت برانگیخته به حالت پایه بازگردد، انرژی آزاد می‌کند که اغلب به شکل لیزر آزاد می‌شود.

مبانی نظری ۲: نظریه تابش القایی انیشتین

در سال ۱۹۱۷، انیشتین نظریه تابش تحریک‌شده را مطرح کرد که مبنای نظری لیزر و تولید لیزر است: جذب یا انتشار ماده اساساً نتیجه برهمکنش بین میدان تابش و ذرات تشکیل‌دهنده ماده است و جوهره اصلی آن انتقال ذرات بین سطوح انرژی مختلف است. سه فرآیند مختلف در برهمکنش بین نور و ماده وجود دارد: انتشار خودبه‌خودی، انتشار تحریک‌شده و جذب تحریک‌شده. برای سیستمی حاوی تعداد زیادی ذره، این سه فرآیند همیشه با هم وجود دارند و ارتباط نزدیکی با هم دارند.

انتشار خود به خودی:

همانطور که در شکل نشان داده شده است: یک الکترون در سطح انرژی بالای E2 به طور خود به خود به سطح انرژی پایین E1 منتقل می‌شود و فوتونی با انرژی hv و hv=E2-E1 منتشر می‌کند؛ این فرآیند انتقال خود به خودی و نامرتبط، انتقال خود به خودی نامیده می‌شود و امواج نوری ساطع شده توسط انتقال‌های خود به خودی، تابش خود به خودی نامیده می‌شوند.

ویژگی‌های گسیل خودبه‌خودی: هر فوتون مستقل است، با جهت‌ها و فازهای مختلف، و زمان وقوع آن نیز تصادفی است. این فوتون به نور ناهمدوس و آشفته تعلق دارد که نور مورد نیاز لیزر نیست. بنابراین، فرآیند تولید لیزر باید این نوع نور سرگردان را کاهش دهد. این همچنین یکی از دلایلی است که طول موج لیزرهای مختلف دارای نور سرگردان است. اگر به خوبی کنترل شود، می‌توان نسبت گسیل خودبه‌خودی در لیزر را نادیده گرفت. هرچه لیزر خالص‌تر باشد، مانند 1060 نانومتر، تمام آن 1060 نانومتر است. این نوع لیزر نرخ جذب و توان نسبتاً پایداری دارد.

جذب تحریک‌شده:

الکترون‌ها در سطوح انرژی پایین (اوربیتال‌های پایین)، پس از جذب فوتون‌ها، به سطوح انرژی بالاتر (اوربیتال‌های بالا) منتقل می‌شوند و این فرآیند جذب القایی نامیده می‌شود. جذب القایی بسیار مهم است و یکی از فرآیندهای کلیدی پمپاژ است. منبع پمپ لیزر، انرژی فوتون را فراهم می‌کند تا ذرات موجود در محیط تقویت، گذار کنند و منتظر تابش القایی در سطوح انرژی بالاتر بمانند و لیزر ساطع کنند.

تابش القایی:

وقتی الکترون در سطح انرژی بالا قرار دارد، توسط فوتون خارجی برانگیخته شده و به سطح انرژی پایین جهش می‌کند (مدار بالا به مدار پایین می‌رود). همزمان، فوتونی ساطع می‌کند که دقیقاً مشابه فوتون خارجی است. این فرآیند، نور برانگیختگی اولیه را جذب نمی‌کند، بنابراین دو فوتون یکسان وجود خواهد داشت که می‌توان آن را به این صورت درک کرد که الکترون، فوتون جذب شده قبلی را به بیرون پرتاب می‌کند. این فرآیند لومینسانس، تابش القایی نامیده می‌شود که فرآیند معکوس جذب القایی است.

پس از روشن شدن تئوری، ساخت لیزر بسیار ساده است، همانطور که در شکل بالا نشان داده شده است: در شرایط عادی پایداری مواد، اکثریت قریب به اتفاق الکترون‌ها در حالت پایه هستند، الکترون‌ها در حالت پایه هستند و لیزر به تابش تحریک‌شده وابسته است. بنابراین، ساختار لیزر به گونه‌ای است که ابتدا اجازه می‌دهد جذب تحریک‌شده رخ دهد، الکترون‌ها را به سطح انرژی بالا برساند و سپس یک تحریک ایجاد کند تا تعداد زیادی از الکترون‌های سطح انرژی بالا تحت تابش تحریک‌شده قرار گیرند و فوتون آزاد کنند. از این طریق، لیزر می‌تواند تولید شود. در مرحله بعد، ساختار لیزر را معرفی خواهیم کرد.

ساختار لیزر:

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

شرایط وقوع و ساختار مربوطه:

۱. یک محیط تقویت وجود دارد که به عنوان محیط کار لیزر، اثر تقویت‌کنندگی را فراهم می‌کند و ذرات فعال آن دارای ساختار سطح انرژی مناسب برای تولید تابش تحریک‌شده هستند (عمدتاً قادر به پمپ کردن الکترون‌ها به اوربیتال‌های پرانرژی و وجود آنها برای مدت زمان مشخصی و سپس آزاد کردن فوتون‌ها در یک نفس از طریق تابش تحریک‌شده).

۲. یک منبع تحریک خارجی (منبع پمپ) وجود دارد که می‌تواند الکترون‌ها را از تراز پایین‌تر به تراز بالاتر پمپ کند و باعث وارونگی تعداد ذرات بین ترازهای بالا و پایین لیزر شود (یعنی وقتی ذرات پرانرژی بیشتری نسبت به ذرات کم‌انرژی وجود دارد)، مانند لامپ زنون در لیزرهای YAG؛

۳. یک حفره رزونانس وجود دارد که می‌تواند نوسان لیزر را ایجاد کند، طول کار ماده کاری لیزر را افزایش دهد، حالت موج نور را غربال کند، جهت انتشار پرتو را کنترل کند، فرکانس تابش تحریک‌شده را به صورت انتخابی تقویت کند تا تک‌رنگی را بهبود بخشد (و اطمینان حاصل کند که لیزر با انرژی خاصی خروجی داده می‌شود).

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

طبقه‌بندی لیزر: عموماً بر اساس محیط فعال یا بر اساس شکل انرژی لیزر طبقه‌بندی می‌شود

طبقه بندی متوسط ​​​​به دست آورید:

لیزر دی اکسید کربنمحیط تقویت لیزر دی اکسید کربن هلیوم است ولیزر CO2،با طول موج لیزر 10.6um، که یکی از اولین محصولات لیزری است که به بازار عرضه شده است. جوشکاری لیزری اولیه عمدتاً مبتنی بر لیزر دی اکسید کربن بود که در حال حاضر عمدتاً برای جوشکاری و برش مواد غیرفلزی (پارچه، پلاستیک، چوب و غیره) استفاده می‌شود. علاوه بر این، در دستگاه‌های لیتوگرافی نیز استفاده می‌شود. لیزر دی اکسید کربن نمی‌تواند از طریق فیبرهای نوری منتقل شود و از طریق مسیرهای نوری فضایی حرکت می‌کند. اولین تونگکوای نسبتاً خوب انجام شد و از تجهیزات برش زیادی استفاده شد.

لیزر YAG (ایتریوم آلومینیوم گارنت): کریستال‌های YAG آلاییده شده با یون‌های فلزی نئودیمیوم (Nd) یا ایتریوم (Yb) به عنوان محیط بهره لیزر با طول موج انتشار 1.06 میکرومتر استفاده می‌شوند. لیزر YAG می‌تواند پالس‌های بالاتری تولید کند، اما توان متوسط ​​آن کم است و توان اوج می‌تواند به 15 برابر توان متوسط ​​برسد. اگر عمدتاً لیزر پالسی باشد، خروجی پیوسته حاصل نمی‌شود. اما می‌توان آن را از طریق فیبرهای نوری منتقل کرد و همزمان، میزان جذب مواد فلزی افزایش می‌یابد و در حال حاضر در مواد با بازتاب بالا، که ابتدا در میدان 3C اعمال می‌شوند، به کار می‌رود.

لیزر فیبری: جریان اصلی فعلی در بازار از فیبر آلاییده شده با ایتربیوم به عنوان محیط بهره، با طول موج 1060 نانومتر استفاده می‌کند. این لیزرها بر اساس شکل محیط به لیزرهای فیبری و دیسکی تقسیم می‌شوند؛ فیبر نوری نشان دهنده IPG و دیسک نشان دهنده Tongkuai است.

لیزر نیمه‌هادی: محیط تقویت، یک پیوند PN نیمه‌هادی است و طول موج لیزر نیمه‌هادی عمدتاً 976 نانومتر است. در حال حاضر، لیزرهای نیمه‌هادی نزدیک به مادون قرمز عمدتاً برای روکش‌کاری استفاده می‌شوند و نقاط نوری آنها بالای 600 میکرومتر است. لیزرلاین یک شرکت نماینده لیزرهای نیمه‌هادی است.

طبقه‌بندی بر اساس شکل عملکرد انرژی: لیزر پالسی (PULSE)، لیزر شبه پیوسته (QCW)، لیزر پیوسته (CW)

لیزر پالسی: نانوثانیه، پیکوثانیه، فمتوثانیه، این لیزر پالسی فرکانس بالا (نانوثانیه، پهنای پالس) اغلب می‌تواند به انرژی پیک بالا و پردازش فرکانس بالا (MHZ) دست یابد که برای پردازش مواد نازک غیرمشابه مس و آلومینیوم و همچنین عمدتاً تمیزکاری استفاده می‌شود. با استفاده از انرژی پیک بالا، می‌تواند به سرعت ماده پایه را ذوب کند، با زمان عمل کم و منطقه تحت تأثیر حرارت کوچک. این لیزر در پردازش مواد فوق نازک (زیر 0.5 میلی‌متر) مزایایی دارد.

لیزر شبه پیوسته (QCW): به دلیل نرخ تکرار بالا و چرخه کاری پایین (زیر 50٪)، پهنای پالسلیزر QCWبه 50 میکروثانیه - 50 میلی‌ثانیه می‌رسد و شکاف بین لیزر فیبر پیوسته در سطح کیلووات و لیزر پالسی Q-switched را پر می‌کند. اوج توان یک لیزر فیبر شبه پیوسته می‌تواند به 10 برابر توان متوسط ​​در حالت عملکرد پیوسته برسد. لیزرهای QCW عموماً دو حالت دارند، یکی جوشکاری پیوسته با توان کم و دیگری جوشکاری لیزر پالسی با اوج توان 10 برابر توان متوسط ​​که می‌تواند به مواد ضخیم‌تر و جوشکاری حرارتی بیشتر دست یابد، در حالی که گرما را نیز در محدوده بسیار کوچکی کنترل می‌کند.

لیزر پیوسته (CW): این رایج‌ترین نوع لیزر است و بیشتر لیزرهای موجود در بازار از نوع CW هستند که به طور مداوم لیزر را برای پردازش جوشکاری تولید می‌کنند. لیزرهای فیبری با توجه به قطر هسته و کیفیت پرتو به لیزرهای تک حالته و چند حالته تقسیم می‌شوند و می‌توانند با سناریوهای کاربردی مختلف سازگار شوند.