Prinzip der Lasererzeugung

Warum müssen wir das Funktionsprinzip von Lasern kennen?

Die Unterschiede zwischen gängigen Halbleiterlasern, Fasern, Scheiben undYAG-Laserkann auch dazu beitragen, ein besseres Verständnis zu erlangen und während des Auswahlprozesses mehr Diskussionen zu führen.

Der Artikel konzentriert sich hauptsächlich auf populärwissenschaftliche Themen: eine kurze Einführung in das Prinzip der Lasererzeugung, den Hauptaufbau von Lasern und einige gängige Lasertypen.

Erstens, das Prinzip der Lasererzeugung

Laserlicht entsteht durch die Wechselwirkung von Licht und Materie, die als stimulierte Strahlungsverstärkung bekannt ist. Um die stimulierte Strahlungsverstärkung zu verstehen, muss man Einsteins Konzepte der spontanen Emission, der stimulierten Absorption und der stimulierten Strahlung sowie einige notwendige theoretische Grundlagen verstehen.

Theoretische Grundlage 1: Bohrsches Modell

Das Bohrsche Atommodell beschreibt hauptsächlich den inneren Aufbau von Atomen und erleichtert so das Verständnis der Funktionsweise von Lasern. Ein Atom besteht aus einem Atomkern und Elektronen, die sich außerhalb des Kerns befinden. Die Elektronenorbitale sind nicht willkürlich angeordnet. Elektronen besitzen nur bestimmte Orbitale, wobei das innerste Orbital als Grundzustand bezeichnet wird. Befindet sich ein Elektron im Grundzustand, ist seine Energie am niedrigsten. Verlässt ein Elektron ein Orbital, spricht man vom ersten angeregten Zustand. Dessen Energie ist höher als die des Grundzustands. Ein weiteres Orbital wird als zweiter angeregter Zustand bezeichnet.

Laserstrahlung entsteht dadurch, dass sich Elektronen in diesem Modell auf verschiedenen Bahnen bewegen. Absorbieren Elektronen Energie, können sie vom Grundzustand in einen angeregten Zustand übergehen. Kehrt ein Elektron vom angeregten Zustand in den Grundzustand zurück, gibt es Energie ab, die häufig in Form eines Laserstrahls freigesetzt wird.

Theoretische Grundlagen 2: Einsteins Theorie der stimulierten Strahlung

1917 schlug Einstein die Theorie der stimulierten Strahlung vor, die die theoretische Grundlage für Laser und deren Erzeugung bildet: Die Absorption oder Emission von Materie ist im Wesentlichen das Ergebnis der Wechselwirkung zwischen dem Strahlungsfeld und den Materieteilchen. Ihr Kern besteht im Übergang von Teilchen zwischen verschiedenen Energieniveaus. Bei der Wechselwirkung von Licht und Materie gibt es drei verschiedene Prozesse: spontane Emission, stimulierte Emission und stimulierte Absorption. In einem System mit einer großen Anzahl von Teilchen treten diese drei Prozesse stets gleichzeitig auf und sind eng miteinander verknüpft.

Spontane Emission:

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

Charakteristika der Spontanemission: Jedes Photon ist unabhängig, mit unterschiedlichen Richtungen und Phasen, und sein Auftreten erfolgt zufällig. Es handelt sich um inkohärentes und chaotisches Licht, das nicht den Anforderungen eines Lasers entspricht. Daher muss im Lasererzeugungsprozess dieses Streulicht reduziert werden. Dies ist auch einer der Gründe, warum Laser mit verschiedenen Wellenlängen Streulicht aufweisen. Bei guter Kontrolle kann der Anteil der Spontanemission im Laser vernachlässigt werden. Je reiner der Laser, beispielsweise ein 1060-nm-Laser, desto gleichmäßiger ist seine Wellenlänge. Solche Laser weisen eine relativ stabile Absorptionsrate und Leistung auf.

Stimulierte Absorption:

Elektronen auf niedrigen Energieniveaus (niedrigen Orbitalen) gehen nach der Absorption von Photonen in höhere Energieniveaus (hohe Orbitale) über. Dieser Prozess wird als stimulierte Absorption bezeichnet. Die stimulierte Absorption ist ein entscheidender und wichtiger Pumpvorgang des Lasers. Die Pumpquelle liefert Photonenenergie, um Teilchen im Verstärkungsmedium zum Übergang in höhere Energieniveaus anzuregen. Diese Teilchen warten dann auf die stimulierte Strahlung höherer Energieniveaus, die schließlich den Laser emittiert.

Stimulierte Strahlung:

Wird ein Elektron mit Licht der Energie hv = E₂ - E₁ bestrahlt, wird es vom höheren Energieniveau durch ein externes Photon angeregt und springt auf ein niedrigeres Energieniveau (Übergang von der höheren zur niedrigeren Bahn). Dabei emittiert es ein Photon, das mit dem externen Photon identisch ist. Da das ursprüngliche Anregungslicht nicht absorbiert wird, entstehen zwei identische Photonen. Dies kann man sich so vorstellen, als würde das Elektron das zuvor absorbierte Photon wieder ausstoßen. Dieser Lumineszenzprozess wird als stimulierte Strahlung bezeichnet und ist der umgekehrte Prozess der stimulierten Absorption.

Sobald die Theorie klar ist, lässt sich ein Laser sehr einfach aufbauen, wie in der obigen Abbildung dargestellt: Unter normalen Bedingungen der Materialstabilität befinden sich die meisten Elektronen im Grundzustand. Laserstrahlung basiert auf stimulierter Strahlung. Daher ist der Aufbau eines Lasers so gestaltet, dass zunächst stimulierte Absorption stattfindet, wodurch Elektronen auf ein höheres Energieniveau angehoben werden. Anschließend wird eine Anregung erzeugt, die eine große Anzahl von Elektronen auf diesem hohen Energieniveau zur stimulierten Strahlung anregt und Photonen freisetzt. Dadurch entsteht Laserlicht. Im Folgenden wird der Aufbau des Lasers erläutert.

Laserstruktur:

Ordnen Sie die Laserstruktur nacheinander den zuvor genannten Lasererzeugungsbedingungen zu:

Vorkommensbedingung und entsprechende Struktur:

1. Es gibt ein Verstärkungsmedium, das als Laserarbeitsmedium dient und einen Verstärkungseffekt bietet. Dessen aktivierte Teilchen besitzen eine Energieniveaustruktur, die zur Erzeugung stimulierter Strahlung geeignet ist (hauptsächlich in der Lage, Elektronen auf hochenergetische Orbitale zu pumpen, wo sie für eine gewisse Zeit verbleiben und dann durch stimulierte Strahlung in einem Atemzug Photonen freisetzen).

2. Es gibt eine externe Anregungsquelle (Pumpquelle), die Elektronen vom unteren Energieniveau auf das obere Energieniveau pumpen kann, wodurch eine Teilchenzahlumkehr zwischen dem oberen und unteren Energieniveau des Lasers entsteht (d. h., es gibt mehr hochenergetische Teilchen als niederenergetische Teilchen), wie beispielsweise die Xenonlampe in YAG-Lasern;

3. Es gibt einen Resonanzraum, der Laseroszillationen ermöglicht, die Arbeitslänge des Lasermaterials erhöht, den Lichtwellenmodus abschirmt, die Ausbreitungsrichtung des Strahls steuert und die stimulierte Strahlungsfrequenz selektiv verstärkt, um die Monochromasie zu verbessern (und so sicherzustellen, dass der Laser mit einer bestimmten Energie abgegeben wird).

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

Laserklassifizierung: im Allgemeinen klassifiziert nach Verstärkungsmedium oder Laserenergieform

Mittlere Gewinnklassifizierung:

KohlendioxidlaserDas Verstärkungsmedium eines Kohlendioxidlasers ist Helium undCO2-LaserMit einer Laserwellenlänge von 10,6 µm gehörte es zu den ersten Laserprodukten auf dem Markt. Das frühe Laserschweißen basierte hauptsächlich auf Kohlendioxidlasern, die heute vorwiegend zum Schweißen und Schneiden nichtmetallischer Werkstoffe (Textilien, Kunststoffe, Holz usw.) eingesetzt werden. Darüber hinaus finden sie auch in Lithographieanlagen Verwendung. Kohlendioxidlaser können nicht durch Glasfasern übertragen werden und bewegen sich über räumliche optische Pfade. Die ersten Laserschweißverfahren waren relativ erfolgreich, und viele Schneidgeräte wurden damit ausgestattet.

YAG-Laser (Yttrium-Aluminium-Granat-Laser): Als Lasermedium dienen mit Neodym- (Nd) oder Yttrium- (Yb) Metallionen dotierte YAG-Kristalle. Die Emissionswellenlänge beträgt 1,06 µm. Der YAG-Laser kann höhere Pulszahlen erzeugen, jedoch ist die mittlere Leistung gering, wobei die Spitzenleistung das 15-Fache der mittleren Leistung erreichen kann. Bei einem primären Pulsbetrieb ist eine kontinuierliche Emission nicht möglich. Die Übertragung über optische Fasern ist jedoch möglich, und gleichzeitig erhöht sich die Absorptionsrate metallischer Materialien. Daher findet der Laser zunehmend Anwendung in hochreflektierenden Materialien, erstmals im 3C-Bereich.

Faserlaser: Der derzeit am Markt gängige Laser verwendet Ytterbium-dotierte Fasern als Verstärkungsmedium mit einer Wellenlänge von 1060 nm. Er wird weiter in Faser- und Scheibenlaser unterteilt, je nach Form des Mediums; Faseroptik-Laser werden als IPG (Integrated Power Group) bezeichnet, während Scheibenlaser als Tongkuai (Tongkuai) bezeichnet werden.

Halbleiterlaser: Das Verstärkungsmedium ist ein Halbleiter-PN-Übergang, und die Wellenlänge des Halbleiterlasers liegt hauptsächlich bei 976 nm. Derzeit werden Halbleiterlaser im nahen Infrarotbereich hauptsächlich für die Mantelwellenleitertechnik eingesetzt, wobei die Lichtfleckgröße über 600 µm liegt. Laserline ist ein führendes Unternehmen im Bereich der Halbleiterlaser.

Klassifizierung nach der Art der Energieeinwirkung: Pulslaser (PULSE), Quasi-Kontinuierlicher Laser (QCW), Kontinuierlicher Laser (CW)

Pulslaser: Nanosekunden-, Pikosekunden- und Femtosekundenpulslaser mit hoher Frequenz (ns, Pulsdauer) ermöglichen oft hohe Spitzenenergien und hohe Frequenzen (MHz). Sie werden hauptsächlich zur Bearbeitung dünner Kupfer- und Aluminiumschichten sowie zur Reinigung eingesetzt. Durch die hohe Spitzenenergie kann das Grundmaterial schnell aufgeschmolzen werden, was kurze Einwirkzeiten und eine kleine Wärmeeinflusszone zur Folge hat. Vorteile bieten sie bei der Bearbeitung ultradünner Materialien (unter 0,5 mm).

Quasi-kontinuierlicher Laser (QCW): Aufgrund der hohen Wiederholrate und des niedrigen Tastverhältnisses (unter 50 %) ist die Pulsbreite vonQCW-LaserErreicht 50 µs bis 50 ms und schließt damit die Lücke zwischen kontinuierlichen Faserlasern im Kilowattbereich und gütegeschalteten Pulslasern. Die Spitzenleistung eines quasi-kontinuierlichen Faserlasers kann im Dauerstrichbetrieb das Zehnfache der mittleren Leistung erreichen. QCW-Laser verfügen im Allgemeinen über zwei Betriebsarten: kontinuierliches Schweißen bei niedriger Leistung und gepulstes Laserschweißen mit einer Spitzenleistung, die dem Zehnfachen der mittleren Leistung entspricht. Letzteres ermöglicht das Schweißen dickerer Materialien und höherer Schweißtemperaturen bei gleichzeitig präziser Wärmekontrolle.

Kontinuierlicher Laser (CW): Dies ist der am häufigsten verwendete Lasertyp, und die meisten auf dem Markt erhältlichen Laser sind CW-Laser, die kontinuierlich Laserlicht für Schweißprozesse abgeben. Faserlaser werden je nach Kerndurchmesser und Strahlqualität in Einmoden- und Mehrmodenlaser unterteilt und können an verschiedene Anwendungsbereiche angepasst werden.