Kanuni ya Kizazi cha Laser

Kwa nini tunahitaji kujua kanuni ya lasers?

Kujua tofauti kati ya leza za semiconductor za kawaida, nyuzi, diski, nalaser ya YAGinaweza pia kusaidia kupata ufahamu bora na kushiriki katika mijadala zaidi wakati wa mchakato wa uteuzi.

Kifungu hicho kinazingatia sana sayansi maarufu: utangulizi mfupi wa kanuni ya kizazi cha laser, muundo mkuu wa lasers, na aina kadhaa za kawaida za lasers.

Kwanza, kanuni ya kizazi cha laser

Laser hutolewa kupitia mwingiliano kati ya mwanga na jambo, unaojulikana kama ukuzaji wa mionzi iliyochochewa; Kuelewa ukuzaji wa mionzi iliyochochewa kunahitaji kuelewa dhana za Einstein za utoaji wa moja kwa moja, ufyonzwaji unaochochewa, na mionzi iliyochangamshwa, pamoja na baadhi ya misingi muhimu ya kinadharia.

Msingi wa Kinadharia 1: Mfano wa Bohr

Mfano wa Bohr hutoa muundo wa ndani wa atomi, na kuifanya iwe rahisi kuelewa jinsi lasers hutokea. Atomu inaundwa na kiini na elektroni nje ya kiini, na obiti za elektroni sio za kiholela. Elektroni zina obiti fulani tu, kati ya ambayo orbital ya ndani inaitwa hali ya chini; Ikiwa elektroni iko katika hali ya chini, nishati yake ni ya chini zaidi. Ikiwa elektroni inaruka nje ya obiti, inaitwa hali ya kwanza ya msisimko, na nishati ya hali ya kwanza ya msisimko itakuwa kubwa zaidi kuliko ile ya ardhi; Obiti nyingine inaitwa hali ya pili ya msisimko;

Sababu kwa nini laser inaweza kutokea ni kwa sababu elektroni zitasonga katika obiti tofauti katika mfano huu. Ikiwa elektroni huchukua nishati, zinaweza kukimbia kutoka kwenye hali ya chini hadi hali ya msisimko; Ikiwa elektroni inarudi kutoka kwa hali ya msisimko hadi hali ya chini, itatoa nishati, ambayo mara nyingi hutolewa kwa namna ya laser.

Msingi wa Kinadharia 2: Nadharia ya Kuchochewa ya Mionzi ya Einstein

Mnamo 1917, Einstein alipendekeza nadharia ya mionzi iliyochochewa, ambayo ni msingi wa kinadharia wa leza na utengenezaji wa leza: unyonyaji au utoaji wa dutu kimsingi ni matokeo ya mwingiliano kati ya uwanja wa mionzi na chembe zinazounda maada, na msingi wake. kiini ni mpito wa chembe kati ya viwango tofauti vya nishati. Kuna michakato mitatu tofauti katika mwingiliano kati ya mwanga na mata: utoaji wa moja kwa moja, utoaji unaochochewa, na ufyonzwaji uliochochewa. Kwa mfumo ulio na idadi kubwa ya chembe, taratibu hizi tatu daima ziko pamoja na zinahusiana kwa karibu.

Utoaji wa papo hapo:

Kama inavyoonyeshwa kwenye mchoro: elektroni kwenye kiwango cha juu cha nishati E2 hubadilika kwa hiari hadi kiwango cha chini cha nishati E1 na kutoa fotoni yenye nishati ya hv, na hv=E2-E1; Mchakato huu wa mpito wa papohapo na usio na uhusiano unaitwa mpito wa hiari, na mawimbi ya mwanga yanayotolewa na mabadiliko ya moja kwa moja huitwa mionzi ya papo hapo.

Sifa za utoaji wa papo hapo: Kila fotoni inajitegemea, ikiwa na mwelekeo na awamu tofauti, na wakati wa kutokea pia ni wa nasibu. Ni ya mwanga usio na usawa na wa machafuko, ambayo sio mwanga unaohitajika na laser. Kwa hiyo, mchakato wa kizazi cha laser unahitaji kupunguza aina hii ya mwanga uliopotea. Hii pia ni moja ya sababu kwa nini urefu wa wimbi la lasers mbalimbali lina mwanga uliopotea. Ikidhibitiwa vyema, uwiano wa utoaji wa papo hapo kwenye leza unaweza kupuuzwa. Laser safi zaidi, kama vile nm 1060, yote ni 1060 nm, Aina hii ya laser ina kiwango cha kunyonya na nguvu thabiti.

Unyonyaji uliochochewa:

Elektroni katika viwango vya chini vya nishati (obiti za chini), baada ya kunyonya photoni, mpito kwa viwango vya juu vya nishati (orbitals ya juu), na mchakato huu unaitwa kunyonya kwa kuchochea. Unyonyaji unaochochewa ni muhimu na mojawapo ya michakato muhimu ya kusukuma maji. Chanzo cha pampu ya leza hutoa nishati ya fotoni kusababisha chembe katika njia ya kupata mpito na kusubiri mionzi iliyochochewa katika viwango vya juu vya nishati, ikitoa leza.

Mionzi iliyochochewa:

Inapowashwa na mwanga wa nishati ya nje (hv = E2-E1), elektroni katika kiwango cha juu cha nishati inasisimua na photon ya nje na inaruka kwa kiwango cha chini cha nishati (obiti ya juu inaendesha kwenye obiti ya chini). Wakati huo huo, hutoa photon ambayo ni sawa kabisa na photon ya nje. Utaratibu huu hauchukui mwanga wa awali wa msisimko, kwa hiyo kutakuwa na fotoni mbili zinazofanana, ambazo zinaweza kueleweka kama elektroni hutema fotoni iliyofyonzwa hapo awali, Mchakato huu wa mwangaza unaitwa mionzi iliyochochewa, ambayo ni mchakato wa nyuma wa kunyonya kwa kuchochewa.

Baada ya nadharia kuwa wazi, ni rahisi sana kujenga laser, kama inavyoonyeshwa kwenye takwimu hapo juu: chini ya hali ya kawaida ya utulivu wa nyenzo, idadi kubwa ya elektroni ziko katika hali ya chini, elektroni katika hali ya chini, na laser inategemea. mionzi iliyochochewa. Kwa hiyo, muundo wa laser ni kuruhusu ngozi iliyochochewa kutokea kwanza, kuleta elektroni kwa kiwango cha juu cha nishati, na kisha kutoa msisimko wa kusababisha idadi kubwa ya elektroni za kiwango cha juu cha nishati kupitia mionzi iliyochochewa, ikitoa fotoni, Kutoka kwa hii, laser inaweza kuzalishwa. Ifuatayo, tutaanzisha muundo wa laser.

Muundo wa laser:

Linganisha muundo wa leza na hali ya kizazi cha leza iliyotajwa mapema moja baada ya nyingine:

Hali ya tukio na muundo unaolingana:

1. Kuna njia ya kupata ambayo hutoa athari ya ukuzaji kama njia ya kufanya kazi ya leza, na chembe zake zilizoamilishwa zina muundo wa kiwango cha nishati unaofaa kwa kutoa mionzi iliyochochewa (haswa inayoweza kusukuma elektroni hadi kwenye obiti zenye nguvu nyingi na kuwepo kwa kipindi fulani cha muda. , na kisha kutolewa fotoni kwa pumzi moja kupitia mionzi iliyochochewa);

2. Kuna chanzo cha msisimko cha nje (chanzo cha pampu) ambacho kinaweza kusukuma elektroni kutoka kiwango cha chini hadi kiwango cha juu, na kusababisha ubadilishaji wa nambari ya chembe kati ya viwango vya juu na vya chini vya leza (yaani, wakati kuna chembe nyingi za nishati kuliko. chembe chembe za nishati kidogo), kama vile taa ya xenon katika leza za YAG;

3. Kuna cavity ya resonant ambayo inaweza kufikia oscillation ya laser, kuongeza urefu wa kazi ya nyenzo ya kufanya kazi ya laser, skrini ya hali ya wimbi la mwanga, kudhibiti mwelekeo wa uenezi wa boriti, kwa kuchagua kukuza mzunguko wa mionzi iliyochochewa ili kuboresha monochromaticity (kuhakikisha kwamba laser hutolewa kwa nishati fulani).

Muundo unaofanana unaonyeshwa kwenye takwimu hapo juu, ambayo ni muundo rahisi wa laser ya YAG. Miundo mingine inaweza kuwa ngumu zaidi, lakini msingi ni huu. Mchakato wa utengenezaji wa laser unaonyeshwa kwenye takwimu:

Uainishaji wa laser: kwa ujumla huainishwa na faida ya kati au kwa fomu ya nishati ya laser

Pata uainishaji wa kati:

Laser ya dioksidi kaboni: Njia ya kupata kati ya laser ya dioksidi kaboni ni heliamu nalaser CO2,yenye urefu wa leza wa 10.6um, ambayo ni mojawapo ya bidhaa za mapema zaidi za leza kuzinduliwa. Ulehemu wa mapema wa laser ulitegemea hasa laser ya dioksidi kaboni, ambayo kwa sasa hutumiwa hasa kwa kulehemu na kukata vifaa visivyo vya metali (vitambaa, plastiki, mbao, nk). Kwa kuongeza, pia hutumiwa kwenye mashine za lithography. Laser ya dioksidi kaboni haiwezi kupitishwa kupitia nyuzi za macho na husafiri kupitia njia za anga za macho, Tongkuai ya kwanza ilifanyika vizuri, na vifaa vingi vya kukata vilitumiwa;

LAG (yttrium alumini garnet) leza: Fuwele za YAG zilizotiwa dope na ioni za chuma za neodymium (Nd) au yttrium (Yb) hutumiwa kama njia ya kupata leza, yenye urefu wa mawimbi ya 1.06um. Laser ya YAG inaweza kutoa mipigo ya juu, lakini nguvu ya wastani ni ndogo, na nguvu ya kilele inaweza kufikia mara 15 ya wastani wa nguvu. Ikiwa ni hasa laser ya pulse, pato la kuendelea haliwezi kupatikana; Lakini inaweza kupitishwa kwa njia ya nyuzi za macho, na wakati huo huo, kiwango cha kunyonya cha vifaa vya chuma huongezeka, na huanza kutumika katika vifaa vya juu vya kutafakari, vinavyotumiwa kwanza kwenye uwanja wa 3C;

Fiber laser: Mfumo mkuu wa sasa sokoni hutumia nyuzinyuzi za ytterbium kama njia ya kupata faida, yenye urefu wa mawimbi wa 1060nm. Imegawanywa zaidi katika nyuzi na lasers za disc kulingana na sura ya kati; Fiber optic inawakilisha IPG, wakati diski inawakilisha Tongkuai.

Laser ya semiconductor: Njia ya kupata faida ni makutano ya PN ya semiconductor, na urefu wa wimbi la leza ya semicondukta ni hasa 976nm. Hivi sasa, leza za semiconductor karibu na infrared hutumiwa hasa kwa kufunika, na madoa ya mwanga zaidi ya 600um. Laserline ni kampuni inayowakilisha leza za semiconductor.

Imeainishwa kulingana na aina ya hatua ya nishati: Leza ya kunde (PULSE), leza inayoendelea kwa kiasi (QCW), leza inayoendelea (CW)

Laser ya kunde: nanosecond, picosecond, femtosecond, laser hii ya masafa ya juu ya kunde (ns, upana wa kunde) mara nyingi inaweza kufikia nishati ya juu, usindikaji wa masafa ya juu (MHZ), hutumika kwa usindikaji wa shaba nyembamba na vifaa vya aluminium tofauti, na vile vile kusafisha zaidi. . Kwa kutumia nishati ya kilele cha juu, inaweza kuyeyusha nyenzo za msingi haraka, kwa muda wa chini wa hatua na eneo ndogo lililoathiriwa na joto. Ina faida katika usindikaji wa vifaa vya ultra-thin (chini ya 0.5mm);

Laser inayoendelea ya Quasi (QCW): Kwa sababu ya kiwango cha juu cha marudio na mzunguko wa chini wa ushuru (chini ya 50%), upana wa mapigo ya moyoLaser ya QCWhufikia 50 us-50 ms, kujaza pengo kati ya kiwango cha kilowati ya laser ya nyuzi inayoendelea na laser ya kunde ya Q-switched; Nguvu ya kilele cha leza ya nyuzinyuzi inayoendelea inaweza kufikia mara 10 ya wastani wa nishati chini ya operesheni ya kuendelea. Laser za QCW kwa ujumla zina njia mbili, moja ni ya kulehemu inayoendelea kwa nguvu ya chini, na nyingine ni kulehemu kwa laser iliyopigwa na nguvu ya kilele cha mara 10 ya wastani wa nguvu, ambayo inaweza kufikia vifaa vizito na kulehemu zaidi ya joto, wakati pia kudhibiti joto ndani ya kifaa. safu ndogo sana;

Laser Inayoendelea (CW): Hii ndiyo inayotumika zaidi, na leza nyingi zinazoonekana kwenye soko ni leza za CW ambazo huendelea kutoa leza kwa ajili ya usindikaji wa kulehemu. Laser za nyuzi zimegawanywa katika leza za modi moja na za modi nyingi kulingana na kipenyo tofauti cha msingi na sifa za boriti, na zinaweza kubadilishwa kwa hali tofauti za utumizi.