ლაზერის გენერაციის პრინციპი

რატომ უნდა ვიცოდეთ ლაზერების პრინციპი?

იცის განსხვავებები საერთო ნახევარგამტარ ლაზერებს, ბოჭკოებს, დისკებს დაYAG ლაზერიასევე შეუძლია დაეხმაროს უკეთ გაგებას და უფრო მეტ დისკუსიაში ჩაერთოს შერჩევის პროცესში.

სტატია ძირითადად ფოკუსირებულია პოპულარულ მეცნიერებაზე: მოკლე შესავალი ლაზერული გენერაციის პრინციპის, ლაზერების ძირითადი სტრუქტურისა და ლაზერების რამდენიმე გავრცელებული ტიპის შესახებ.

პირველ რიგში, ლაზერული წარმოქმნის პრინციპი

ლაზერი წარმოიქმნება სინათლისა და მატერიის ურთიერთქმედების შედეგად, რომელიც ცნობილია როგორც სტიმულირებული გამოსხივების გაძლიერება; სტიმულირებული გამოსხივების გაძლიერების გასაგებად საჭიროა აინშტაინის სპონტანური ემისიის, სტიმულირებული შთანთქმის და სტიმულირებული გამოსხივების კონცეფციების გაგება, ისევე როგორც ზოგიერთი აუცილებელი თეორიული საფუძველი.

თეორიული საფუძველი 1: ბორის მოდელი

ბორის მოდელი ძირითადად უზრუნველყოფს ატომების შიდა სტრუქტურას, რაც აადვილებს იმის გაგებას, თუ როგორ წარმოიქმნება ლაზერები. ატომი შედგება ბირთვისა და ელექტრონებისგან ბირთვის გარეთ და ელექტრონების ორბიტალები არ არის თვითნებური. ელექტრონებს აქვთ მხოლოდ გარკვეული ორბიტალები, რომელთა შორის ყველაზე შიდა ორბიტალს ძირითადი მდგომარეობა ეწოდება; თუ ელექტრონი ძირეულ მდგომარეობაშია, მისი ენერგია ყველაზე დაბალია. თუ ელექტრონი გამოხტება ორბიტიდან, მას უწოდებენ პირველ აღგზნებულ მდგომარეობას, ხოლო პირველი აღგზნებული მდგომარეობის ენერგია უფრო მაღალი იქნება, ვიდრე ძირითადი მდგომარეობის; სხვა ორბიტას მეორე აღგზნებულ მდგომარეობას უწოდებენ;

ლაზერის გაჩენის მიზეზი არის ის, რომ ამ მოდელში ელექტრონები სხვადასხვა ორბიტაზე მოძრაობენ. თუ ელექტრონები შთანთქავენ ენერგიას, მათ შეუძლიათ გაიქცნენ ძირითადი მდგომარეობიდან აღგზნებულ მდგომარეობაში; თუ ელექტრონი აღგზნებული მდგომარეობიდან ძირითად მდგომარეობაში ბრუნდება, ის გამოყოფს ენერგიას, რომელიც ხშირად გამოიყოფა ლაზერის სახით.

თეორიული საფუძველი 2: აინშტაინის სტიმულირებული გამოსხივების თეორია

1917 წელს აინშტაინმა შემოგვთავაზა სტიმულირებული გამოსხივების თეორია, რომელიც წარმოადგენს ლაზერებისა და ლაზერული წარმოების თეორიულ საფუძველს: მატერიის შთანთქმა ან გამოსხივება არსებითად არის რადიაციული ველისა და მატერიის შემადგენელი ნაწილაკების ურთიერთქმედების შედეგი. არსი არის ნაწილაკების გადასვლა სხვადასხვა ენერგეტიკულ დონეებს შორის. სინათლისა და მატერიის ურთიერთქმედებისას სამი განსხვავებული პროცესია: სპონტანური ემისია, სტიმულირებული ემისია და სტიმულირებული შთანთქმა. სისტემისთვის, რომელიც შეიცავს ნაწილაკების დიდ რაოდენობას, ეს სამი პროცესი ყოველთვის თანაარსებობს და მჭიდრო კავშირშია.

სპონტანური გამოსხივება:

როგორც ნახატზეა ნაჩვენები: E2 მაღალენერგეტიკულ დონეზე მყოფი ელექტრონი სპონტანურად გადადის დაბალენერგეტიკულ დონეზე E1-ზე და ასხივებს ფოტონს hv ენერგიით, ხოლო hv=E2-E1; ამ სპონტანურ და ურთიერთდაკავშირებულ გარდამავალ პროცესს ეწოდება სპონტანური გადასვლა, ხოლო სინათლის ტალღებს, რომლებიც ასხივებენ სპონტანურ გადასვლებს - სპონტანური გამოსხივება.

სპონტანური ემისიის მახასიათებლები: თითოეული ფოტონი დამოუკიდებელია, განსხვავებული მიმართულებებითა და ფაზებით, ასევე შემთხვევითი ხდება. ის მიეკუთვნება არათანმიმდევრულ და ქაოტურ შუქს, რომელიც არ არის ლაზერის საჭირო სინათლე. ამიტომ, ლაზერული წარმოქმნის პროცესმა უნდა შეამციროს ამ ტიპის მაწანწალა შუქი. ეს არის ასევე ერთ-ერთი მიზეზი, რის გამოც სხვადასხვა ლაზერის ტალღის სიგრძეს აქვს მაწანწალა სინათლე. თუ კარგად არის კონტროლირებადი, ლაზერში სპონტანური ემისიების პროპორცია შეიძლება იგნორირებული იყოს. რაც უფრო სუფთაა ლაზერი, როგორიცაა 1060 ნმ, ეს ყველაფერი არის 1060 ნმ. ამ ტიპის ლაზერს აქვს შედარებით სტაბილური შთანთქმის სიჩქარე და სიმძლავრე.

სტიმულირებული შეწოვა:

ელექტრონები დაბალ ენერგეტიკულ დონეზე (დაბალი ორბიტალები), ფოტონების შთანთქმის შემდეგ, გადადიან უფრო მაღალ ენერგეტიკულ დონეზე (მაღალი ორბიტალები) და ამ პროცესს ეწოდება სტიმულირებული შთანთქმა. სტიმულირებული აბსორბცია გადამწყვეტი და ერთ-ერთი მთავარი სატუმბი პროცესია. ლაზერის ტუმბოს წყარო უზრუნველყოფს ფოტონის ენერგიას, რათა გამოიწვიოს ნაწილაკები გამაძლიერებელ გარემოში გადასვლისკენ და დაელოდონ სტიმულირებულ გამოსხივებას უფრო მაღალ ენერგეტიკულ დონეზე, ასხივებენ ლაზერს.

სტიმულირებული გამოსხივება:

გარე ენერგიის შუქით (hv=E2-E1) დასხივებისას ელექტრონი მაღალ ენერგეტიკულ დონეზე აღგზნებულია გარე ფოტონით და ხტება დაბალ ენერგეტიკულ დონეზე (მაღალი ორბიტა გადის დაბალ ორბიტაზე). ამავე დროს, ის ასხივებს ფოტონს, რომელიც ზუსტად იგივეა, რაც გარე ფოტონი. ეს პროცესი არ შთანთქავს თავდაპირველ აგზნების შუქს, ამიტომ იქნება ორი იდენტური ფოტონი, რაც შეიძლება გავიგოთ, როგორც ელექტრონი აფურთხებს ადრე შთანთქმულ ფოტონს.

თეორიის გარკვევის შემდეგ, ლაზერის აგება ძალიან მარტივია, როგორც ეს ნაჩვენებია ზემოთ მოცემულ ფიგურაში: მატერიალური მდგრადობის ნორმალურ პირობებში, ელექტრონების აბსოლუტური უმრავლესობა საფუძველშია, ელექტრონები ძირეულ მდგომარეობაში, ხოლო ლაზერი დამოკიდებულია იმაზე. სტიმულირებული გამოსხივება. აქედან გამომდინარე, ლაზერის სტრუქტურა უნდა დაუშვას ჯერ სტიმულირებული შთანთქმის, ელექტრონების მიყვანა მაღალ ენერგეტიკულ დონემდე და შემდეგ უზრუნველყოფს აგზნებას, რათა გამოიწვიოს დიდი რაოდენობით მაღალი ენერგიის დონის ელექტრონების სტიმულირებული გამოსხივება, ათავისუფლებს ფოტონებს. ლაზერის შექმნა შესაძლებელია. შემდეგი, ჩვენ გავაცნობთ ლაზერის სტრუქტურას.

ლაზერული სტრუქტურა:

შეადარეთ ლაზერის სტრუქტურა სათითაოდ ზემოთ ნახსენები ლაზერის წარმოქმნის პირობებთან:

შემთხვევის მდგომარეობა და შესაბამისი სტრუქტურა:

1. არსებობს გამაძლიერებელი საშუალება, რომელიც უზრუნველყოფს გამაძლიერებელ ეფექტს, როგორც ლაზერის სამუშაო საშუალება, და მის გააქტიურებულ ნაწილაკებს აქვთ ენერგეტიკული დონის სტრუქტურა, რომელიც შესაფერისია სტიმულირებული გამოსხივების წარმოქმნისთვის (ძირითადად შეუძლია ელექტრონების გადატუმბვა მაღალენერგეტიკულ ორბიტალებში და არსებობს გარკვეული პერიოდის განმავლობაში. , და შემდეგ ათავისუფლებს ფოტონებს ერთი ამოსუნთქვით სტიმულირებული გამოსხივების მეშვეობით);

2. არსებობს გარე აგზნების წყარო (ტუმბოს წყარო), რომელსაც შეუძლია ელექტრონების გადატუმბვა ქვედა დონიდან ზედა დონეზე, რაც იწვევს ნაწილაკების რიცხვის ინვერსიას ლაზერის ზედა და ქვედა დონეებს შორის (ანუ, როცა მეტი მაღალი ენერგიის ნაწილაკებია, ვიდრე დაბალი ენერგიის ნაწილაკები), როგორიცაა ქსენონის ნათურა YAG ლაზერებში;

3. არსებობს რეზონანსული ღრუ, რომელსაც შეუძლია მიაღწიოს ლაზერულ რხევას, გაზარდოს ლაზერული სამუშაო მასალის სამუშაო სიგრძე, აჩვენოს სინათლის ტალღის რეჟიმი, აკონტროლოს სხივის გავრცელების მიმართულება, შერჩევით გააძლიეროს სტიმულირებული გამოსხივების სიხშირე მონოქრომატულობის გასაუმჯობესებლად (უზრუნველყოფს, რომ ლაზერი გამოდის გარკვეული ენერგიით).

შესაბამისი სტრუქტურა ნაჩვენებია ზემოთ მოცემულ ფიგურაში, რომელიც წარმოადგენს YAG ლაზერის მარტივ სტრუქტურას. სხვა სტრუქტურები შეიძლება უფრო რთული იყოს, მაგრამ მთავარი ეს არის. ლაზერული წარმოქმნის პროცესი ნაჩვენებია სურათზე:

ლაზერული კლასიფიკაცია: ზოგადად კლასიფიცირებულია გაზრდის საშუალო ან ლაზერული ენერგიის ფორმის მიხედვით

მიიღეთ საშუალო კლასიფიკაცია:

ნახშირორჟანგის ლაზერი: ნახშირორჟანგის ლაზერის გამაძლიერებელი საშუალებაა ჰელიუმი დაCO2 ლაზერი,ლაზერის ტალღის სიგრძით 10.6 um, რომელიც არის ერთ-ერთი ყველაზე ადრეული ლაზერული პროდუქტი, რომელიც გაშვებულია. ადრეული ლაზერული შედუღება ძირითადად ეფუძნებოდა ნახშირორჟანგის ლაზერს, რომელიც ამჟამად ძირითადად გამოიყენება არალითონური მასალების (ქსოვილი, პლასტმასი, ხე და ა.შ.) შედუღებისა და ჭრისთვის. გარდა ამისა, იგი ასევე გამოიყენება ლითოგრაფიის აპარატებზე. ნახშირორჟანგის ლაზერი არ შეიძლება გადაიცეს ოპტიკური ბოჭკოებით და მოძრაობს სივრცითი ოპტიკური ბილიკებით, ყველაზე ადრეული Tongkuai შედარებით კარგად იყო გაკეთებული და ბევრი საჭრელი მოწყობილობა იყო გამოყენებული;

YAG (იტრიუმის ალუმინის ბროწეული) ლაზერი: YAG კრისტალები დოპირებული ნეოდიმი (Nd) ან იტრიუმის (Yb) ლითონის იონები გამოიყენება როგორც ლაზერული მომატების საშუალება, ემისიის ტალღის სიგრძით 1.06 um. YAG ლაზერს შეუძლია უფრო მაღალი იმპულსების გამოშვება, მაგრამ საშუალო სიმძლავრე დაბალია და პიკური სიმძლავრე შეიძლება 15-ჯერ აღემატებოდეს საშუალო სიმძლავრეს. თუ ეს ძირითადად პულსური ლაზერია, უწყვეტი გამომავალი ვერ მიიღწევა; მაგრამ მისი გადაცემა შესაძლებელია ოპტიკური ბოჭკოების მეშვეობით და ამავდროულად, იზრდება ლითონის მასალების შთანთქმის სიჩქარე და იწყება მისი გამოყენება მაღალი არეკვლის მასალებში, პირველად გამოყენებული 3C ველში;

ბოჭკოვანი ლაზერი: ამჟამინდელი მეინსტრიმი ბაზარზე იყენებს იტერბიუმის დოპირებული ბოჭკოს, როგორც გამაძლიერებელი საშუალება, ტალღის სიგრძით 1060 ნმ. იგი შემდგომში იყოფა ბოჭკოვანი და დისკის ლაზერებად, საშუალო ფორმის მიხედვით; ოპტიკურ-ბოჭკოვანი წარმოადგენს IPG, ხოლო დისკი წარმოადგენს Tongkuai-ს.

ნახევარგამტარული ლაზერი: მომატებული საშუალება არის ნახევარგამტარული PN შეერთება და ნახევარგამტარული ლაზერის ტალღის სიგრძე ძირითადად 976 ნმ-ზეა. ამჟამად, ნახევარგამტარული ახლო ინფრაწითელი ლაზერები ძირითადად გამოიყენება მოსაპირკეთებლად, მსუბუქი ლაქებით 600 მმ-ზე მეტი. Laserline არის ნახევარგამტარული ლაზერების წარმომადგენლობითი საწარმო.

კლასიფიცირებულია ენერგეტიკული მოქმედების ფორმის მიხედვით: პულსური ლაზერი (PULSE), კვაზი უწყვეტი ლაზერი (QCW), უწყვეტი ლაზერი (CW)

პულსური ლაზერი: ნანოწამი, პიკოწამი, ფემტოწამი, ამ მაღალი სიხშირის იმპულსური ლაზერი (ns, პულსის სიგანე) ხშირად შეუძლია მიაღწიოს მაღალი პიკის ენერგიას, მაღალი სიხშირის (MHZ) დამუშავებას, რომელიც გამოიყენება თხელი სპილენძისა და ალუმინის განსხვავებული მასალების დასამუშავებლად, ასევე ძირითადად გაწმენდისთვის. . მაღალი პიკის ენერგიის გამოყენებით, მას შეუძლია სწრაფად დნება საბაზისო მასალა, მოქმედების დაბალი დროით და მცირე სიცხის ზონით. მას აქვს უპირატესობები ულტრა თხელი მასალების დამუშავებისას (0,5 მმ-ზე ქვემოთ);

კვაზი უწყვეტი ლაზერი (QCW): გამეორების მაღალი სიხშირისა და დაბალი სამუშაო ციკლის გამო (50%-ზე ქვემოთ), პულსის სიგანეQCW ლაზერიაღწევს 50 us-50 ms, ავსებს უფსკრული კილოვატის დონის უწყვეტი ბოჭკოვანი ლაზერისა და Q- გადართვის პულსური ლაზერის შორის; კვაზი უწყვეტი ბოჭკოვანი ლაზერის პიკური სიმძლავრე შეიძლება 10-ჯერ აღემატებოდეს საშუალო სიმძლავრეს უწყვეტ რეჟიმში მუშაობისას. QCW ლაზერებს, როგორც წესი, აქვთ ორი რეჟიმი, ერთი არის უწყვეტი შედუღება დაბალ სიმძლავრეზე, ხოლო მეორე არის პულსირებული ლაზერული შედუღება საშუალო სიმძლავრის 10-ჯერ მეტი სიმძლავრით, რომელსაც შეუძლია მიაღწიოს სქელ მასალებს და მეტი სითბოს შედუღებას, ასევე აკონტროლებს სითბოს შიგნით. ძალიან მცირე დიაპაზონი;

უწყვეტი ლაზერი (CW): ეს არის ყველაზე ხშირად გამოყენებული და ლაზერების უმეტესობა, რომლებიც ბაზარზე ჩანს, არის CW ლაზერები, რომლებიც მუდმივად გამოდიან ლაზერს შედუღების დამუშავებისთვის. ბოჭკოვანი ლაზერები იყოფა ერთ-რეჟიმად და მრავალრეჟიმად ლაზერებად, ბირთვის სხვადასხვა დიამეტრისა და სხივის ხარისხის მიხედვით და მათი ადაპტირება შესაძლებელია აპლიკაციის სხვადასხვა სცენარზე.