Kanuni ya Uzalishaji wa Leza

Kwa nini tunahitaji kujua kanuni ya leza?

Kujua tofauti kati ya leza za kawaida za semiconductor, nyuzi, diski, naLeza ya YAGpia inaweza kusaidia kupata uelewa bora na kushiriki katika mijadala zaidi wakati wa mchakato wa uteuzi.

Makala hii inalenga zaidi sayansi maarufu: utangulizi mfupi wa kanuni ya uzalishaji wa leza, muundo mkuu wa leza, na aina kadhaa za kawaida za leza.

Kwanza, kanuni ya uzalishaji wa laser

Leza huzalishwa kupitia mwingiliano kati ya mwanga na maada, unaojulikana kama ukuzaji wa mionzi iliyochochewa; Kuelewa ukuzaji wa mionzi iliyochochewa kunahitaji kuelewa dhana za Einstein za utoaji wa ghafla, unyonyaji uliochochewa, na mionzi iliyochochewa, pamoja na 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 leza zinavyotokea. Atomu huundwa na kiini na elektroni nje ya kiini, na obitali za elektroni si za kiholela. Elektroni zina obitali fulani tu, ambazo obitali ya ndani kabisa huitwa hali ya ardhi; Ikiwa elektroni iko katika hali ya ardhi, nishati yake huwa ya chini kabisa. Ikiwa elektroni inaruka kutoka kwenye obiti, inaitwa hali ya kwanza ya msisimko, na nishati ya hali ya kwanza ya msisimko itakuwa kubwa kuliko ile ya hali ya ardhi; Obiti nyingine inaitwa hali ya pili ya msisimko;

Sababu ya leza kutokea ni kwa sababu elektroni zitasogea katika mizunguko tofauti katika modeli hii. Ikiwa elektroni zinachukua nishati, zinaweza kukimbia kutoka hali ya ardhini hadi hali ya msisimko; Ikiwa elektroni itarudi kutoka hali ya msisimko hadi hali ya ardhini, itatoa nishati, ambayo mara nyingi hutolewa katika umbo la leza.

Msingi wa Kinadharia 2: Nadharia ya Mionzi Iliyochochewa ya Einstein

Mnamo 1917, Einstein alipendekeza nadharia ya mionzi iliyochochewa, ambayo ndiyo msingi wa kinadharia wa leza na uzalishaji wa leza: unyonyaji au utoaji wa maada kimsingi ni matokeo ya mwingiliano kati ya uwanja wa mionzi na chembe zinazounda maada, na kiini chake kikuu ni mpito wa chembe kati ya viwango tofauti vya nishati. Kuna michakato mitatu tofauti katika mwingiliano kati ya mwanga na maada: utoaji wa hiari, utoaji uliochochewa, na unyonyaji uliochochewa. Kwa mfumo ulio na idadi kubwa ya chembe, michakato hii mitatu hukaa pamoja kila wakati na inahusiana kwa karibu.

Uchafuzi wa ghafla:

Kama inavyoonyeshwa kwenye mchoro: elektroni kwenye kiwango cha juu cha nishati E2 hubadilika ghafla hadi kiwango cha chini cha nishati E1 na kutoa fotoni yenye nishati ya hv, na hv=E2-E1; Mchakato huu wa mpito wa ghafla na usiohusiana unaitwa mpito wa ghafla, na mawimbi ya mwanga yanayotolewa na mpito wa ghafla huitwa mionzi ya ghafla.

Sifa za utoaji wa ghafla: Kila fotoni ni huru, ikiwa na mwelekeo na awamu tofauti, na wakati wa kutokea pia ni nasibu. Ni ya mwanga usioeleweka na wenye machafuko, ambao sio mwanga unaohitajika na leza. Kwa hivyo, mchakato wa uzalishaji wa leza unahitaji kupunguza aina hii ya mwanga uliopotea. Hii pia ni moja ya sababu kwa nini urefu wa wimbi la leza mbalimbali una mwanga uliopotea. Ikiwa itadhibitiwa vizuri, uwiano wa utoaji wa ghafla katika leza unaweza kupuuzwa. Kadiri leza inavyokuwa safi zaidi, kama vile 1060 nm, yote ni 1060 nm, Aina hii ya leza ina kiwango na nguvu thabiti ya unyonyaji.

Kunyonya kwa kuchochewa:

Elektroni katika viwango vya chini vya nishati (orbitali za chini), baada ya kunyonya fotoni, mpito hadi viwango vya juu vya nishati (orbitali za juu), na mchakato huu unaitwa unyonyaji uliochochewa. Unyonyaji uliochochewa ni muhimu na mojawapo ya michakato muhimu ya kusukuma. Chanzo cha pampu ya leza hutoa nishati ya fotoni kusababisha chembe katika njia ya kupata hadi mpito na kusubiri mionzi iliyochochewa katika viwango vya juu vya nishati, na kutoa leza.

Mionzi iliyochochewa:

Inapomwashwa na mwanga wa nishati ya nje (hv=E2-E1), elektroni iliyo katika kiwango cha juu cha nishati husisimka na fotoni ya nje na kuruka hadi kiwango cha chini cha nishati (mzunguko wa juu hukimbilia kwenye mzunguko wa chini). Wakati huo huo, hutoa fotoni ambayo ni sawa kabisa na fotoni ya nje. Mchakato huu haunyonyi mwanga wa asili wa uchochezi, kwa hivyo kutakuwa na fotoni mbili zinazofanana, ambazo zinaweza kueleweka kama elektroni inapotoa fotoni iliyofyonzwa hapo awali. Mchakato huu wa mwangaza unaitwa mionzi iliyochochewa, ambayo ni mchakato kinyume wa unyonyaji uliochochewa.

Baada ya nadharia kuwa wazi, ni rahisi sana kujenga leza, kama inavyoonyeshwa kwenye mchoro hapo juu: chini ya hali ya kawaida ya uthabiti wa nyenzo, elektroni nyingi ziko katika hali ya ardhi, elektroni ziko katika hali ya ardhi, na leza hutegemea mionzi iliyochochewa. Kwa hivyo, muundo wa leza ni kuruhusu unyonyaji uliochochewa kutokea kwanza, na kuleta elektroni kwenye kiwango cha juu cha nishati, na kisha kutoa msisimko wa kusababisha idadi kubwa ya elektroni zenye kiwango cha juu cha nishati kupitia mionzi iliyochochewa, ikitoa fotoni. Kutoka kwa hili, leza inaweza kuzalishwa. Ifuatayo, tutaanzisha muundo wa leza.

Muundo wa leza:

Linganisha muundo wa leza na hali za uzalishaji wa leza zilizotajwa hapo awali moja baada ya nyingine:

Hali ya kutokea na muundo unaolingana:

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

2. Kuna chanzo cha nje cha msisimko (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 zenye nishati nyingi kuliko chembe zenye nishati kidogo), kama vile taa ya xenon katika leza za YAG;

3. Kuna uwazi unaoweza kufikia mtetemo wa leza, kuongeza urefu wa kazi wa nyenzo za kufanya kazi za leza, kuchunga hali ya wimbi la mwanga, kudhibiti mwelekeo wa uenezaji wa boriti, kuongeza kwa hiari masafa ya mionzi iliyochochewa ili kuboresha monokromaticity (kuhakikisha kwamba leza inatolewa kwa nishati fulani).

Muundo unaolingana unaonyeshwa kwenye mchoro hapo juu, ambao ni muundo rahisi wa leza ya YAG. Miundo mingine inaweza kuwa ngumu zaidi, lakini kiini chake ni hiki. Mchakato wa uzalishaji wa leza unaonyeshwa kwenye mchoro:

Uainishaji wa leza: kwa ujumla huainishwa kwa kutumia njia ya kupata faida au kwa kutumia umbo la nishati ya leza

Uainishaji wa wastani wa faida:

Leza ya kaboni dioksidi: Kinachofanya leza ya kaboni dioksidi kuwa na faida ni heliamu naLeza ya CO2,yenye urefu wa leza wa 10.6um, ambayo ni moja ya bidhaa za leza za mapema zaidi kuzinduliwa. Ulehemu wa leza wa mapema ulitegemea zaidi leza ya kaboni dioksidi, ambayo kwa sasa inatumika sana kwa kulehemu na kukata vifaa visivyo vya metali (vitambaa, plastiki, mbao, n.k.). Zaidi ya hayo, pia hutumika kwenye mashine za lithografia. Leza ya kaboni dioksidi haiwezi kupitishwa kupitia nyuzi za macho na husafiri kupitia njia za macho za anga, Tongkuai ya mapema zaidi ilifanywa vizuri kiasi, na vifaa vingi vya kukata vilitumika;

Leza ya YAG (yttrium alumini garnet): Fuwele za YAG zilizochanganywa na ioni za chuma za neodymium (Nd) au yttrium (Yb) hutumika kama njia ya kupata leza, yenye urefu wa wimbi la utoaji wa 1.06um. Leza ya YAG inaweza kutoa mapigo ya juu zaidi, lakini nguvu ya wastani ni ndogo, na nguvu ya kilele inaweza kufikia mara 15 ya nguvu ya wastani. Ikiwa ni leza ya mapigo hasa, matokeo endelevu hayawezi kupatikana; Lakini yanaweza kupitishwa kupitia nyuzi za macho, na wakati huo huo, kiwango cha unyonyaji wa vifaa vya chuma huongezeka, na inaanza kutumika katika nyenzo za kuakisi kwa kiwango cha juu, kwanza kutumika katika uwanja wa 3C;

Leza ya nyuzinyuzi: Kampuni kuu ya sasa sokoni hutumia nyuzinyuzi iliyochanganywa na ytterbium kama njia ya kupata nguvu, yenye urefu wa wimbi wa 1060nm. Imegawanywa zaidi katika leza za nyuzinyuzi na diski kulingana na umbo la njia; Fiber optic inawakilisha IPG, huku diski ikiwakilisha Tongkuai.

Leza ya nusukondukta: Njia ya kupata faida ni makutano ya PN ya nusukondukta, na urefu wa wimbi wa leza ya nusukondukta ni zaidi ya 976nm. Hivi sasa, leza za nusukondukta zilizo karibu na infrared hutumika zaidi kwa ajili ya kufunika, zenye madoa ya mwanga zaidi ya 600um. Laserline ni biashara inayowakilisha leza za nusukondukta.

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

Leza ya mapigo: nanosecond, picosecond, femtosecond, leza hii ya mapigo ya masafa ya juu (ns, upana wa mapigo) mara nyingi inaweza kufikia nishati ya kilele cha juu, usindikaji wa masafa ya juu (MHZ), inayotumika kwa ajili ya usindikaji wa shaba nyembamba na vifaa tofauti vya alumini, pamoja na kusafisha zaidi. Kwa kutumia nishati ya kilele cha juu, inaweza kuyeyusha nyenzo ya msingi haraka, kwa muda mfupi wa hatua na eneo dogo lililoathiriwa na joto. Ina faida katika usindikaji wa nyenzo nyembamba sana (chini ya 0.5mm);

Leza inayoendelea kwa kiasi (QCW): Kwa sababu ya kiwango cha juu cha marudio na mzunguko mdogo wa kazi (chini ya 50%), upana wa mapigo yaLeza ya QCWhufikia 50 us-50 ms, ikijaza pengo kati ya leza ya nyuzi inayoendelea ya kiwango cha kilowatt na leza ya mapigo ya Q-switched; Nguvu ya kilele ya leza ya nyuzi inayoendelea kiasi inaweza kufikia mara 10 ya nguvu ya wastani chini ya operesheni ya hali inayoendelea. Leza za QCW kwa ujumla zina aina mbili, moja ni kulehemu inayoendelea kwa nguvu ya chini, na nyingine ni kulehemu ya leza yenye mapigo yenye nguvu ya kilele ya mara 10 ya nguvu ya wastani, ambayo inaweza kufikia vifaa vizito na kulehemu zaidi kwa joto, huku pia ikidhibiti joto ndani ya safu ndogo sana;

Leza Endelevu (CW): Hii ndiyo inayotumika sana, na leza nyingi zinazoonekana sokoni ni leza za CW ambazo hutoa leza kila mara kwa ajili ya usindikaji wa kulehemu. Leza za nyuzinyuzi zimegawanywa katika leza za hali moja na leza za hali nyingi kulingana na kipenyo tofauti cha msingi na sifa za boriti, na zinaweza kubadilishwa kulingana na hali tofauti za matumizi.