Prinzip der Lasererzeugung

Warum müssen wir das Prinzip von Lasern kennen?

Kenntnis der Unterschiede zwischen gängigen Halbleiterlasern, Fasern, Scheiben uswYAG-Laserkann auch dazu beitragen, den Auswahlprozess besser zu verstehen und mehr Diskussionen zu führen.

Der Artikel konzentriert sich hauptsächlich auf die Populärwissenschaft: eine kurze Einführung in das Prinzip der Lasererzeugung, die Hauptstruktur von Lasern und mehrere gängige Lasertypen.

Erstens das Prinzip der Lasererzeugung

Laser werden durch die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie erzeugt, die als verstärkte Strahlungsverstärkung bezeichnet wird. Um die Verstärkung stimulierter Strahlung zu verstehen, müssen Einsteins Konzepte der spontanen Emission, der stimulierten Absorption und der stimulierten Strahlung sowie einige notwendige theoretische Grundlagen verstanden werden.

Theoretische Grundlage 1: Bohr-Modell

Das Bohr-Modell liefert hauptsächlich die innere Struktur von Atomen und erleichtert so das Verständnis der Entstehung von Lasern. Ein Atom besteht aus einem Kern und Elektronen außerhalb des Kerns, und die Orbitale der Elektronen sind nicht willkürlich. Elektronen haben nur bestimmte Orbitale, von denen das innerste Orbital Grundzustand genannt wird; Befindet sich ein Elektron im Grundzustand, ist seine Energie am niedrigsten. Wenn ein Elektron aus einer Umlaufbahn springt, spricht man vom ersten angeregten Zustand, und die Energie des ersten angeregten Zustands ist höher als die des Grundzustands; Eine andere Umlaufbahn wird als zweiter angeregter Zustand bezeichnet;

Der Grund, warum Laser auftreten können, liegt darin, dass sich Elektronen in diesem Modell auf unterschiedlichen Bahnen bewegen. Wenn Elektronen Energie absorbieren, können sie vom Grundzustand in den angeregten Zustand übergehen; Wenn ein Elektron vom angeregten Zustand in den Grundzustand zurückkehrt, gibt es Energie ab, die häufig in Form eines Lasers freigesetzt wird.

Theoretische Grundlage 2: Einsteins Theorie der stimulierten Strahlung

Im Jahr 1917 schlug Einstein die Theorie der stimulierten Strahlung vor, die die theoretische Grundlage für Laser und die Laserproduktion bildet: Die Absorption oder Emission von Materie ist im Wesentlichen das Ergebnis der Wechselwirkung zwischen dem Strahlungsfeld und den Teilchen, aus denen die Materie besteht, und ihrem Kern Wesentlich ist der Übergang von Teilchen zwischen verschiedenen Energieniveaus. Bei der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie gibt es drei verschiedene Prozesse: spontane Emission, stimulierte Emission und stimulierte Absorption. Bei einem System mit einer großen Anzahl von Teilchen existieren diese drei Prozesse immer nebeneinander und sind eng miteinander verbunden.

Spontane Emission:

Wie in der Abbildung gezeigt: Ein Elektron auf dem Hochenergieniveau E2 geht spontan in das Niedrigenergieniveau E1 über und emittiert ein Photon mit einer Energie von hv, und hv=E2-E1; Dieser spontane und unabhängige Übergangsprozess wird als spontaner Übergang bezeichnet, und die von spontanen Übergängen emittierten Lichtwellen werden als spontane Strahlung bezeichnet.

Die Merkmale der spontanen Emission: Jedes Photon ist unabhängig, hat unterschiedliche Richtungen und Phasen und die Auftrittszeit ist ebenfalls zufällig. Es gehört zum inkohärenten und chaotischen Licht, das nicht das vom Laser benötigte Licht ist. Daher muss der Lasererzeugungsprozess diese Art von Streulicht reduzieren. Dies ist auch einer der Gründe, warum die Wellenlänge verschiedener Laser Streulicht aufweist. Bei guter Kontrolle kann der Anteil der spontanen Emission im Laser vernachlässigt werden. Je reiner der Laser, z. B. 1060 nm, desto 1060 nm beträgt dieser Lasertyp. Dieser Lasertyp weist eine relativ stabile Absorptionsrate und Leistung auf.

Stimulierte Absorption:

Elektronen auf niedrigen Energieniveaus (niedrige Orbitale) gehen nach der Absorption von Photonen in höhere Energieniveaus (hohe Orbitale) über. Dieser Vorgang wird stimulierte Absorption genannt. Die stimulierte Absorption ist entscheidend und einer der wichtigsten Pumpprozesse. Die Pumpquelle des Lasers liefert Photonenenergie, um Partikel im Verstärkungsmedium zum Übergang zu veranlassen und auf stimulierte Strahlung mit höheren Energieniveaus zu warten, die den Laser aussendet.

Stimulierte Strahlung:

Bei Bestrahlung mit Licht externer Energie (hv=E2-E1) wird das Elektron auf dem hohen Energieniveau durch das externe Photon angeregt und springt auf das niedrige Energieniveau (die hohe Umlaufbahn läuft zur niedrigen Umlaufbahn). Gleichzeitig sendet es ein Photon aus, das genau dem externen Photon entspricht. Bei diesem Prozess wird das ursprüngliche Anregungslicht nicht absorbiert, sodass zwei identische Photonen entstehen. Dies kann so verstanden werden, dass das Elektron das zuvor absorbierte Photon ausspuckt. Dieser Lumineszenzprozess wird stimulierte Strahlung genannt und ist der umgekehrte Prozess der stimulierten Absorption.

Nachdem die Theorie klar ist, ist es sehr einfach, einen Laser zu bauen, wie in der obigen Abbildung gezeigt: Unter normalen Bedingungen der Materialstabilität befindet sich die überwiegende Mehrheit der Elektronen im Grundzustand, und die Elektronen sind im Grundzustand, und der Laser hängt davon ab stimulierte Strahlung. Daher besteht die Struktur des Lasers darin, zunächst eine stimulierte Absorption zu ermöglichen, die Elektronen auf das hohe Energieniveau bringt, und dann eine Anregung bereitzustellen, die dazu führt, dass eine große Anzahl von Elektronen mit hohem Energieniveau stimulierter Strahlung ausgesetzt wird und dabei Photonen freisetzt. Laser erzeugt werden kann. Als nächstes stellen wir die Laserstruktur vor.

Laserstruktur:

Ordnen Sie die Laserstruktur nacheinander den zuvor genannten Lasererzeugungsbedingungen zu:

Eintrittsbedingung und entsprechende Struktur:

1. Es gibt ein Verstärkungsmedium, das als Laserarbeitsmedium einen Verstärkungseffekt bietet, und seine aktivierten Partikel haben eine Energieniveaustruktur, die zur Erzeugung stimulierter Strahlung geeignet ist (hauptsächlich in der Lage, Elektronen in hochenergetische Orbitale zu pumpen und für einen bestimmten Zeitraum zu existieren). und dann durch stimulierte Strahlung in einem Atemzug Photonen freisetzen);

2. Es gibt eine externe Anregungsquelle (Pumpquelle), die Elektronen von der unteren Ebene zur oberen Ebene pumpen kann, was zu einer Umkehrung der Teilchenzahl zwischen der oberen und unteren Ebene des Lasers führt (d. h. wenn mehr hochenergetische Teilchen vorhanden sind als). niederenergetische Teilchen), wie die Xenonlampe in YAG-Lasern;

3. Es gibt einen Resonanzhohlraum, der eine Laseroszillation erreichen, die Arbeitslänge des Laserbearbeitungsmaterials erhöhen, den Lichtwellenmodus abschirmen, die Ausbreitungsrichtung des Strahls steuern und die stimulierte Strahlungsfrequenz selektiv verstärken kann, um die Monochromatizität zu verbessern (wodurch sichergestellt wird, dass die Laser wird mit einer bestimmten Energie abgegeben).

Die entsprechende Struktur ist in der obigen Abbildung dargestellt, bei der es sich um eine einfache Struktur eines YAG-Lasers handelt. Andere Strukturen mögen komplexer sein, aber der Kern ist dieser. Der Lasererzeugungsprozess ist in der Abbildung dargestellt:

Laserklassifizierung: im Allgemeinen nach Verstärkungsmedium oder Laserenergieform klassifiziert

Erhalten Sie eine mittlere Klassifizierung:

Kohlendioxidlaser: Das Verstärkungsmedium des Kohlendioxidlasers ist Helium undCO2-Laser,mit einer Laserwellenlänge von 10,6 µm, einem der ersten Laserprodukte, die auf den Markt kamen. Das frühe Laserschweißen basierte hauptsächlich auf dem Kohlendioxidlaser, der heute hauptsächlich zum Schweißen und Schneiden nichtmetallischer Materialien (Stoffe, Kunststoffe, Holz usw.) verwendet wird. Darüber hinaus wird es auch auf Lithographiemaschinen eingesetzt. Kohlendioxidlaser können nicht durch optische Fasern übertragen werden und breiten sich über räumliche optische Pfade aus. Der früheste Tongkuai wurde relativ gut gemacht und es wurden viele Schneidgeräte verwendet;

YAG-Laser (Yttrium-Aluminium-Granat): Als Laserverstärkungsmedium werden mit Neodym- (Nd) oder Yttrium- (Yb) Metallionen dotierte YAG-Kristalle mit einer Emissionswellenlänge von 1,06 µm verwendet. Der YAG-Laser kann höhere Impulse ausgeben, aber die Durchschnittsleistung ist niedrig und die Spitzenleistung kann das 15-fache der Durchschnittsleistung erreichen. Wenn es sich hauptsächlich um einen Pulslaser handelt, kann keine kontinuierliche Leistung erzielt werden; Aber es kann über optische Fasern übertragen werden, und gleichzeitig erhöht sich die Absorptionsrate von Metallmaterialien, und es beginnt mit der Anwendung in Materialien mit hohem Reflexionsvermögen, zunächst im 3C-Bereich;

Faserlaser: Der aktuelle Mainstream auf dem Markt verwendet Ytterbium-dotierte Fasern als Verstärkungsmedium mit einer Wellenlänge von 1060 nm. Basierend auf der Form des Mediums wird es weiter in Faser- und Scheibenlaser unterteilt; Glasfaser steht für IPG, während Scheibe für Tongkuai steht.

Halbleiterlaser: Das Verstärkungsmedium ist ein Halbleiter-PN-Übergang, und die Wellenlänge des Halbleiterlasers liegt hauptsächlich bei 976 nm. Derzeit werden hauptsächlich Halbleiterlaser im Nahinfrarotbereich zum Auftragen verwendet, mit Lichtflecken über 600 µm. Laserline ist ein repräsentatives Unternehmen für Halbleiterlaser.

Klassifiziert nach der Form der Energieeinwirkung: Pulslaser (PULSE), quasi kontinuierlicher Laser (QCW), kontinuierlicher Laser (CW)

Pulslaser: Nanosekunden, Pikosekunde, Femtosekunde. Dieser Hochfrequenz-Pulslaser (ns, Pulsbreite) kann häufig eine hohe Spitzenenergie und eine Hochfrequenzverarbeitung (MHz) erzielen und wird hauptsächlich für die Bearbeitung dünner Kupfer- und Aluminium-unterschiedlicher Materialien sowie hauptsächlich für die Reinigung verwendet . Durch die Verwendung einer hohen Spitzenenergie kann das Grundmaterial bei kurzer Einwirkzeit und kleiner Wärmeeinflusszone schnell zum Schmelzen gebracht werden. Es hat Vorteile bei der Verarbeitung ultradünner Materialien (unter 0,5 mm);

Quasi-kontinuierlicher Laser (QCW): Aufgrund der hohen Wiederholungsrate und des geringen Arbeitszyklus (unter 50 %) ist die Pulsbreite vonQCW-Lasererreicht 50 us-50 ms und füllt die Lücke zwischen einem kontinuierlichen Faserlaser im Kilowattbereich und einem gütegeschalteten Pulslaser; Die Spitzenleistung eines quasi-kontinuierlichen Faserlasers kann das Zehnfache der Durchschnittsleistung im Dauerbetrieb erreichen. QCW-Laser verfügen im Allgemeinen über zwei Modi: Der eine ist kontinuierliches Schweißen bei geringer Leistung und der andere ist gepulstes Laserschweißen mit einer Spitzenleistung, die das Zehnfache der Durchschnittsleistung beträgt. Dadurch können dickere Materialien und mehr Wärmeschweißen erzielt werden, während gleichzeitig die Wärme innerhalb eines Zeitraums kontrolliert wird sehr kleiner Bereich;

Kontinuierlicher Laser (CW): Dies wird am häufigsten verwendet, und die meisten auf dem Markt erhältlichen Laser sind CW-Laser, die kontinuierlich Laser für die Schweißbearbeitung abgeben. Faserlaser werden nach unterschiedlichen Kerndurchmessern und Strahlqualitäten in Singlemode- und Multimode-Laser unterteilt und können an unterschiedliche Anwendungsszenarien angepasst werden.