ლაზერული გენერაციის პრინციპი

რატომ უნდა ვიცოდეთ ლაზერების პრინციპი?

გავრცელებულ ნახევარგამტარულ ლაზერებს, ბოჭკოებს, დისკებსა დაYAG ლაზერიასევე შეუძლია ხელი შეუწყოს შერჩევის პროცესში უკეთ გააზრებას და მეტ დისკუსიაში ჩართვას.

სტატია ძირითადად პოპულარულ მეცნიერებაზეა ორიენტირებული: ლაზერების გენერაციის პრინციპის მოკლე შესავალი, ლაზერების ძირითადი სტრუქტურა და ლაზერების რამდენიმე გავრცელებული ტიპი.

პირველ რიგში, ლაზერული გენერაციის პრინციპი

ლაზერი წარმოიქმნება სინათლესა და მატერიას შორის ურთიერთქმედების შედეგად, რაც ცნობილია როგორც სტიმულირებული რადიაციული ამპლიფიკაცია; სტიმულირებული რადიაციული ამპლიფიკაციის გასაგებად საჭიროა აინშტაინის სპონტანური ემისიის, სტიმულირებული შთანთქმის და სტიმულირებული რადიაციის კონცეფციების, ასევე ზოგიერთი აუცილებელი თეორიული საფუძვლების გაგება.

თეორიული საფუძველი 1: ბორის მოდელი

ბორის მოდელი ძირითადად ატომების შიდა სტრუქტურას გვაწვდის, რაც ლაზერების წარმოქმნის წესის გაგებას აადვილებს. ატომი შედგება ბირთვისა და ბირთვის გარეთ მდებარე ელექტრონებისგან და ელექტრონების ორბიტალები შემთხვევითი არ არის. ელექტრონებს მხოლოდ გარკვეული ორბიტალები აქვთ, რომელთა შორის ყველაზე შიდა ორბიტალს ძირითადი მდგომარეობა ეწოდება; თუ ელექტრონი ძირითად მდგომარეობაშია, მისი ენერგია ყველაზე დაბალია. თუ ელექტრონი ორბიტიდან გამოხტება, მას პირველი აღგზნებული მდგომარეობა ეწოდება და პირველი აღგზნებული მდგომარეობის ენერგია ძირითადი მდგომარეობის ენერგიაზე მაღალი იქნება; სხვა ორბიტას მეორე აღგზნებული მდგომარეობა ეწოდება;

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

თეორიული საფუძველი 2: აინშტაინის სტიმულირებული გამოსხივების თეორია

1917 წელს აინშტაინმა შემოგვთავაზა სტიმულირებული გამოსხივების თეორია, რომელიც ლაზერებისა და ლაზერული წარმოების თეორიულ საფუძველს წარმოადგენს: მატერიის შთანთქმა ან გამოსხივება არსებითად რადიაციული ველისა და მატერიის შემადგენელი ნაწილაკების ურთიერთქმედების შედეგია და მისი ძირითადი არსი ნაწილაკების გადასვლაა სხვადასხვა ენერგეტიკულ დონეებს შორის. სინათლესა და მატერიას შორის ურთიერთქმედებაში სამი განსხვავებული პროცესია: სპონტანური გამოსხივება, სტიმულირებული გამოსხივება და სტიმულირებული შთანთქმა. დიდი რაოდენობით ნაწილაკების შემცველი სისტემისთვის ეს სამი პროცესი ყოველთვის თანაარსებობს და მჭიდრო კავშირშია.

სპონტანური ემისია:

როგორც ნახაზზეა ნაჩვენები: მაღალი ენერგიის E2 დონეზე მყოფი ელექტრონი სპონტანურად გადადის დაბალი ენერგიის E1 დონეზე და ასხივებს ფოტონს hv ენერგიის მქონე, და hv=E2-E1; ამ სპონტანურ და ერთმანეთთან დაუკავშირებელ გადასვლის პროცესს სპონტანური გადასვლა ეწოდება, ხოლო სპონტანური გადასვლებით გამოსხივებულ სინათლის ტალღებს - სპონტანური გამოსხივება.

სპონტანური ემისიის მახასიათებლები: თითოეული ფოტონი დამოუკიდებელია, განსხვავებული მიმართულებითა და ფაზებით, ხოლო გაჩენის დროც შემთხვევითია. ის მიეკუთვნება არათანმიმდევრულ და ქაოტურ სინათლეს, რომელიც არ არის ლაზერის მიერ საჭირო სინათლე. ამიტომ, ლაზერის გენერაციის პროცესი უნდა ამცირებდეს ამ ტიპის გაფანტულ სინათლეს. ეს ასევე ერთ-ერთი მიზეზია, რის გამოც სხვადასხვა ლაზერის ტალღის სიგრძეს აქვს გაფანტული სინათლე. თუ კარგად გაკონტროლდება, ლაზერში სპონტანური ემისიის პროპორცია შეიძლება იგნორირებული იყოს. რაც უფრო სუფთაა ლაზერი, მაგალითად, 1060 ნმ, ის მთლიანად 1060 ნმ-ია. ამ ტიპის ლაზერს აქვს შედარებით სტაბილური შთანთქმის სიჩქარე და სიმძლავრე.

სტიმულირებული შეწოვა:

დაბალი ენერგეტიკული დონის (დაბალი ორბიტალების) მქონე ელექტრონები, ფოტონების შთანთქმის შემდეგ, გადადიან უფრო მაღალ ენერგეტიკულ დონეებზე (მაღალი ორბიტალები) და ამ პროცესს სტიმულირებული შთანთქმა ეწოდება. სტიმულირებული შთანთქმა გადამწყვეტი და ერთ-ერთი მთავარი ტუმბო პროცესია. ლაზერის ტუმბოს წყარო უზრუნველყოფს ფოტონის ენერგიას, რათა გაძლიერების გარემოში ნაწილაკები გადავიდნენ და დაელოდონ სტიმულირებულ გამოსხივებას უფრო მაღალი ენერგეტიკული დონეებით, ლაზერის გამოსხივებით.

სტიმულირებული გამოსხივება:

გარე ენერგიის სინათლით (hv=E2-E1) დასხივებისას, მაღალი ენერგეტიკული დონის ელექტრონი აღგზნებულია გარე ფოტონით და გადადის დაბალ ენერგეტიკულ დონეზე (მაღალი ორბიტა დაბალი ორბიტისკენ მიემართება). ამავდროულად, ის ასხივებს ფოტონს, რომელიც ზუსტად იგივეა, რაც გარე ფოტონი. ეს პროცესი არ შთანთქავს თავდაპირველ აგზნების სინათლეს, ამიტომ წარმოიქმნება ორი იდენტური ფოტონი, რაც შეიძლება გავიგოთ, როგორც ელექტრონის მიერ ადრე შთანთქმული ფოტონის გამოსხივება. ამ ლუმინესცენციის პროცესს სტიმულირებული გამოსხივება ეწოდება, რაც სტიმულირებული შთანთქმის უკუ პროცესია.

თეორიის გარკვევის შემდეგ, ლაზერის აწყობა ძალიან მარტივია, როგორც ეს ზემოთ მოცემულ ფიგურაზეა ნაჩვენები: მასალის სტაბილურობის ნორმალურ პირობებში, ელექტრონების დიდი უმრავლესობა ძირითად მდგომარეობაშია, ელექტრონები ძირითად მდგომარეობაშია და ლაზერი დამოკიდებულია სტიმულირებულ გამოსხივებაზე. ამიტომ, ლაზერის სტრუქტურა ისეა მოწყობილი, რომ ჯერ სტიმულირებული შთანთქმა მოხდეს, ელექტრონები მაღალ ენერგეტიკულ დონეზე მიიყვანოს და შემდეგ აგზნება გამოიწვიოს მაღალი ენერგეტიკული დონის ელექტრონების დიდი რაოდენობის სტიმულირებული გამოსხივების გასავლელად, რაც ფოტონებს გამოყოფს. აქედან შეიძლება ლაზერის გენერირება. შემდეგ, ჩვენ წარმოგიდგენთ ლაზერის სტრუქტურას.

ლაზერული სტრუქტურა:

ერთმანეთის მიყოლებით შეუსაბამეთ ლაზერის სტრუქტურა ზემოთ ნახსენებ ლაზერის გენერაციის პირობებს:

წარმოშობის პირობა და შესაბამისი სტრუქტურა:

1. არსებობს გამაძლიერებელი გარემო, რომელიც უზრუნველყოფს გამაძლიერებელ ეფექტს, როგორც ლაზერული სამუშაო გარემო, და მის გააქტიურებულ ნაწილაკებს აქვთ ენერგეტიკული დონის სტრუქტურა, რომელიც შესაფერისია სტიმულირებული გამოსხივების გენერირებისთვის (ძირითადად შეუძლიათ ელექტრონების გადატუმბვა მაღალი ენერგიის ორბიტალებში და გარკვეული პერიოდის განმავლობაში არსებობა, შემდეგ კი ფოტონების გამოყოფა ერთი ამოსუნთქვით სტიმულირებული გამოსხივების გზით);

2. არსებობს გარე აგზნების წყარო (ტუმბოს წყარო), რომელსაც შეუძლია ელექტრონების ქვედა დონიდან ზედა დონეზე გადატუმბვა, რაც იწვევს ნაწილაკების რაოდენობის ინვერსიას ლაზერის ზედა და ქვედა დონეებს შორის (ანუ, როდესაც მაღალი ენერგიის ნაწილაკები უფრო მეტია, ვიდრე დაბალი ენერგიის ნაწილაკები), მაგალითად, YAG ლაზერებში ქსენონის ნათურა;

3. არსებობს რეზონანსული ღრუ, რომელსაც შეუძლია ლაზერული რხევის მიღწევა, ლაზერული სამუშაო მასალის სამუშაო სიგრძის გაზრდა, სინათლის ტალღის რეჟიმის ეკრანირება, სხივის გავრცელების მიმართულების კონტროლი, სტიმულირებული გამოსხივების სიხშირის შერჩევით გაძლიერება მონოქრომატულობის გასაუმჯობესებლად (რაც უზრუნველყოფს ლაზერის გამოსხივებას გარკვეული ენერგიით).

შესაბამისი სტრუქტურა ნაჩვენებია ზემოთ მოცემულ ფიგურაში, რომელიც YAG ლაზერის მარტივი სტრუქტურაა. სხვა სტრუქტურები შეიძლება უფრო რთული იყოს, მაგრამ ბირთვი ასეთია. ლაზერის გენერირების პროცესი ნაჩვენებია ფიგურაში:

ლაზერის კლასიფიკაცია: ზოგადად კლასიფიცირდება გაძლიერების საშუალების ან ლაზერული ენერგიის ფორმის მიხედვით.

მოიპოვეთ საშუალო კლასიფიკაცია:

ნახშირორჟანგის ლაზერინახშირორჟანგის ლაზერის გაძლიერების საშუალებაა ჰელიუმი დაCO2 ლაზერი,10.6 მიკრონიანი ლაზერული ტალღის სიგრძით, რომელიც ერთ-ერთი პირველი ლაზერული პროდუქტია, რომელიც გამოვიდა ბაზარზე. ადრეული ლაზერული შედუღება ძირითადად ნახშირორჟანგის ლაზერს ეფუძნებოდა, რომელიც ამჟამად ძირითადად გამოიყენება არამეტალური მასალების (ქსოვილები, პლასტმასი, ხე და ა.შ.) შედუღებისა და ჭრისთვის. გარდა ამისა, ის ასევე გამოიყენება ლითოგრაფიულ აპარატებზე. ნახშირორჟანგის ლაზერი ვერ გადაიცემა ოპტიკურ ბოჭკოებში და მოძრაობს სივრცულ ოპტიკურ ბილიკებზე. ადრეული ტონგუაი შედარებით კარგად იყო შესრულებული და გამოიყენებოდა მრავალი საჭრელი მოწყობილობა;

YAG (იტრიუმის ალუმინის გარნეტის) ლაზერი: ლაზერული გამაძლიერებელი საშუალების სახით გამოიყენება ნეოდიმიუმის (Nd) ან იტრიუმის (Yb) ლითონის იონებით დოპირებული YAG კრისტალები, 1.06 μm ემისიის ტალღის სიგრძით. YAG ლაზერს შეუძლია უფრო მაღალი იმპულსების გამომუშავება, მაგრამ საშუალო სიმძლავრე დაბალია და პიკური სიმძლავრე შეიძლება საშუალო სიმძლავრეზე 15-ჯერ აღემატებოდეს. თუ ეს ძირითადად იმპულსური ლაზერია, უწყვეტი გამომავალი სიგნალის მიღწევა შეუძლებელია; თუმცა, მისი გადაცემა შესაძლებელია ოპტიკური ბოჭკოების მეშვეობით და ამავდროულად, ლითონის მასალების შთანთქმის სიჩქარე იზრდება და ის იწყებს გამოყენებას მაღალი არეკვლის მასალებში, პირველად 3C ველში;

ბოჭკოვანი ლაზერი: ბაზარზე ამჟამად არსებული ძირითადი ტენდენცია გაძლიერების საშუალებად იტერბიუმის დოპირებულ ბოჭკოს იყენებს 1060 ნმ ტალღის სიგრძით. გარემოს ფორმის მიხედვით, ის ასევე იყოფა ბოჭკოვან და დისკოვან ლაზერებად; ოპტიკურ-ბოჭკოვანი ლაზერი წარმოადგენს IPG-ს, ხოლო დისკურ ლაზერს - ტონგუაის.

ნახევარგამტარი ლაზერი: გამაძლიერებელი საშუალება არის ნახევარგამტარული PN შეერთება და ნახევარგამტარული ლაზერის ტალღის სიგრძე ძირითადად 976 ნმ-ია. ამჟამად, ნახევარგამტარული ახლო ინფრაწითელი ლაზერები ძირითადად გამოიყენება საფარისთვის, 600 μm-ზე მეტი სინათლის ლაქებით. Laserline ნახევარგამტარული ლაზერების წარმომადგენლობითი საწარმოა.

ენერგიის მოქმედების ფორმის მიხედვით კლასიფიცირდება: პულსური ლაზერი (PULSE), კვაზიუწყვეტი ლაზერი (QCW), უწყვეტი ლაზერი (CW)

პულსური ლაზერი: ნანოწამი, პიკოწამი, ფემტოწამი, ეს მაღალი სიხშირის პულსური ლაზერი (ns, პულსის სიგანე) ხშირად აღწევს მაღალი პიკური ენერგიის, მაღალი სიხშირის (MHZ) დამუშავებას, გამოიყენება თხელი სპილენძისა და ალუმინის განსხვავებული მასალების დასამუშავებლად, ასევე ძირითადად გასაწმენდად. მაღალი პიკური ენერგიის გამოყენებით, მას შეუძლია სწრაფად გაადნოს ძირითადი მასალა, დაბალი მოქმედების დროით და მცირე თერმული ზემოქმედების ზონით. მას აქვს უპირატესობა ულტრათხელი მასალების დამუშავებაში (0.5 მმ-ზე ნაკლები);

კვაზი უწყვეტი ლაზერი (QCW): მაღალი გამეორების სიხშირისა და დაბალი სამუშაო ციკლის (50%-ზე ნაკლები) გამო, იმპულსის სიგანეQCW ლაზერიაღწევს 50 აშშ-50 ms-ს, ავსებს კილოვატიანი დონის უწყვეტი ბოჭკოვანი ლაზერისა და Q-გადართვის პულსური ლაზერის შორის არსებულ ხარვეზს; კვაზი უწყვეტი ბოჭკოვანი ლაზერის პიკური სიმძლავრე უწყვეტი რეჟიმში მუშაობისას შეიძლება საშუალო სიმძლავრეს 10-ჯერ აღემატებოდეს. QCW ლაზერებს ზოგადად აქვთ ორი რეჟიმი, ერთი არის უწყვეტი შედუღება დაბალი სიმძლავრით, ხოლო მეორე არის პულსური ლაზერული შედუღება საშუალო სიმძლავრის 10-ჯერ აღემატებული პიკური სიმძლავრით, რომლის საშუალებითაც შესაძლებელია უფრო სქელი მასალების და მეტი სითბური შედუღების მიღწევა, სითბოს ძალიან მცირე დიაპაზონში კონტროლის პარალელურად;

უწყვეტი ლაზერი (CW): ეს არის ყველაზე ხშირად გამოყენებული და ბაზარზე არსებული ლაზერების უმეტესობა არის CW ლაზერები, რომლებიც უწყვეტად გამოყოფენ ლაზერს შედუღების დამუშავებისთვის. ბოჭკოვანი ლაზერები იყოფა ერთრეჟიმიან და მრავალრეჟიმიან ლაზერებად სხვადასხვა ბირთვის დიამეტრისა და სხივის ხარისხის მიხედვით და შეიძლება ადაპტირებული იყოს სხვადასხვა გამოყენების სცენარებზე.