Принсипи истеҳсоли лазер

Чаро мо бояд принсипи кори лазерҳоро донем?

Донистани фарқиятҳои байни лазерҳои маъмулии нимноқилҳо, нахҳо, дискҳо ваЛазери YAGинчунин метавонад барои ба даст овардани фаҳмиши беҳтар ва иштирок дар муҳокимаҳои бештар дар раванди интихоб мусоидат кунад.

Мақола асосан ба илми маъмул тамаркуз мекунад: муқаддимаи мухтасар ба принсипи тавлиди лазер, сохтори асосии лазерҳо ва якчанд намудҳои маъмули лазерҳо.

Аввалан, принсипи истеҳсоли лазер

Лазер тавассути таъсири мутақобилаи байни рӯшноӣ ва материя тавлид мешавад, ки онро тақвияти радиатсияи ангезишёфта меноманд; Дарки тақвияти радиатсияи ангезишёфта фаҳмидани мафҳумҳои Эйнштейн дар бораи партоби худсарона, ҷаббидашавии ангезишёфта ва радиатсияи ангезишёфта, инчунин баъзе асосҳои назариявии заруриро талаб мекунад.

Асоси назариявӣ 1: Модели Бор

Модели Бор асосан сохтори дохилии атомҳоро нишон медиҳад, ки фаҳмидани он ки чӣ гуна лазерҳо пайдо мешаванд, осон аст. Атом аз ядро ​​ва электронҳои берун аз ядро ​​иборат аст ва орбиталҳои электронҳо худсарона нестанд. Электронҳо танҳо орбиталҳои муайяне доранд, ки дар байни онҳо орбиталҳои дарунӣ ҳолати асосӣ номида мешаванд; Агар электрон дар ҳолати асосӣ бошад, энергияи он пасттарин аст. Агар электрон аз мадор берун ҷаҳида барояд, он ҳолати аввали ангехта номида мешавад ва энергияи ҳолати аввали ангехта аз ҳолати асосӣ баландтар хоҳад буд; Мадори дигар ҳолати дуюми ангехта номида мешавад;

Сабаби пайдоиши лазер дар он аст, ки дар ин модел электронҳо дар мадорҳои гуногун ҳаракат мекунанд. Агар электронҳо энергияро фурӯ баранд, онҳо метавонанд аз ҳолати асосӣ ба ҳолати ангехташуда гузаранд; агар электрон аз ҳолати ангехташуда ба ҳолати асосӣ баргардад, он энергияро хориҷ мекунад, ки аксар вақт дар шакли лазер хориҷ мешавад.

Асоси назариявӣ 2: Назарияи радиатсияи ангезандаи Эйнштейн

Дар соли 1917, Эйнштейн назарияи радиатсияи ангезишёфтаро пешниҳод кард, ки асоси назариявии лазерҳо ва истеҳсоли лазер аст: ҷаббида ё партоби модда асосан натиҷаи таъсири мутақобилаи майдони радиатсия ва зарраҳое мебошад, ки моддаро ташкил медиҳанд ва моҳияти асосии он гузариши зарраҳо байни сатҳҳои гуногуни энергия мебошад. Дар таъсири мутақобилаи рӯшноӣ ва модда се раванди гуногун мавҷуданд: партоби худсарона, партоби ангезишёфта ва ҷабби ангезишёфта. Барои системае, ки шумораи зиёди зарраҳоро дар бар мегирад, ин се раванд ҳамеша бо ҳам вуҷуд доранд ва бо ҳам алоқамандии зич доранд.

Партовҳои худсарона:

Тавре ки дар расм нишон дода шудааст: электрон дар сатҳи баланди энергияи E2 худ аз худ ба сатҳи пасти энергияи E1 мегузарад ва фотонро бо энергияи hv ва hv=E2-E1 хориҷ мекунад; Ин раванди гузариши худ аз худ ва беҳамто гузариши худ аз худ номида мешавад ва мавҷҳои рӯшноие, ки аз гузаришҳои худ аз худ хориҷ мешаванд, радиатсияи худ аз худ номида мешаванд.

Хусусиятҳои партоби худсарона: Ҳар як фотон мустақил буда, самтҳо ва фазаҳои гуногун дорад ва вақти пайдоиш низ тасодуфӣ аст. Он ба нури номувофиқ ва бетартиб тааллуқ дорад, ки нуре нест, ки лазер талаб мекунад. Аз ин рӯ, раванди тавлиди лазер бояд ин намуди нури гумроҳро кам кунад. Ин инчунин яке аз сабабҳои он аст, ки чаро дарозии мавҷи лазерҳои гуногун нури гумроҳ дорад. Агар хуб назорат карда шавад, таносуби партоби худсарона дар лазерро нодида гирифтан мумкин аст. Ҳар қадар лазер, ба монанди 1060 нм, тозатар бошад, он ҳама 1060 нм аст. Ин намуди лазер суръати ҷабби нисбатан устувор ва қудрат дорад.

Ҷабби ҳавасмандгардонӣ:

Электронҳо дар сатҳҳои пасти энергия (орбиталҳои паст), пас аз фурӯ бурдани фотонҳо, ба сатҳҳои баланди энергия (орбиталҳои баланд) мегузаранд ва ин раванд абсорбсияи ангезишёфта номида мешавад. Абсорбсияи ангезишёфта муҳим ва яке аз равандҳои калидии насоскунӣ мебошад. Манбаи насоси лазер энергияи фотонро барои он медиҳад, ки зарраҳо дар муҳити афзоянда ба гузариш оварда, дар сатҳҳои баланди энергия интизори радиатсияи ангезишёфта шаванд ва лазерро пароканда мекунанд.

Радиатсияи ҳавасмандгардонидашуда:

Ҳангоми шуоъ додани нури энергияи беруна (hv=E2-E1), электрон дар сатҳи баланди энергия аз ҷониби фотони беруна ангехта мешавад ва ба сатҳи пасти энергия мегузарад (мадори баланд ба мадори паст меравад). Дар айни замон, он фотонеро мебарорад, ки маҳз бо фотони беруна якхела аст. Ин раванд нури ангезиши аслиро фурӯ намебарад, аз ин рӯ ду фотони якхела хоҳанд буд, ки метавон фаҳмид, ки электрон фотони қаблан ҷаббидашударо берун мекунад. Ин раванди люминесценсия радиатсияи ангехташуда номида мешавад, ки раванди баръакси ҷабби ангехташуда мебошад.

Пас аз равшан шудани назария, сохтани лазер хеле содда аст, чунон ки дар расми боло нишон дода шудааст: дар шароити муқаррарии устувории мавод, аксарияти кулли электронҳо дар ҳолати асосӣ, электронҳо дар ҳолати асосӣ қарор доранд ва лазер аз радиатсияи ангезанда вобаста аст. Аз ин рӯ, сохтори лазер аз он иборат аст, ки аввал ҷабби ангезандаро ба вуҷуд орад, электронҳоро ба сатҳи баланди энергия расонад ва сипас ангезишро таъмин кунад, то шумораи зиёди электронҳои сатҳи баланди энергияро ба радиатсияи ангезанда дучор кунанд ва фотонҳоро раҳо кунад. Аз ин рӯ, лазерро тавлид кардан мумкин аст. Сипас, мо сохтори лазерро муаррифӣ мекунем.

Сохтори лазер:

Сохтори лазерро бо шароити тавлиди лазер, ки қаблан зикр шуда буд, як ба як муқоиса кунед:

Ҳолати пайдоиш ва сохтори мувофиқ:

1. Муҳити тақвиятдиҳандае мавҷуд аст, ки ҳамчун муҳити кории лазер таъсири тақвиятдиҳандаро таъмин мекунад ва зарраҳои фаъолшудаи он дорои сохтори сатҳи энергия мебошанд, ки барои тавлиди радиатсияи ангезишёфта мувофиқанд (асосан қодиранд электронҳоро ба орбиталҳои дорои энергияи баланд интиқол диҳанд ва барои муддати муайян вуҷуд дошта бошанд ва сипас фотонҳоро дар як нафас тавассути радиатсияи ангезишёфта раҳо кунанд);

2. Манбаи ангезиши беруна (манбаи насос) мавҷуд аст, ки метавонад электронҳоро аз сатҳи поёнӣ ба сатҳи болоӣ интиқол диҳад ва боиси инверсияи шумораи зарраҳо байни сатҳҳои болоӣ ва поёнии лазер гардад (яъне, вақте ки зарраҳои энергияи баланд нисбат ба зарраҳои энергияи кам бештаранд), ба монанди чароғи ксенон дар лазерҳои YAG;

3. Як ковокии резонансӣ мавҷуд аст, ки метавонад ба ларзиши лазерӣ ноил гардад, дарозии кории маводи кории лазерро зиёд кунад, ҳолати мавҷи рӯшноиро парда кунад, самти паҳншавии шуоъро назорат кунад, басомади радиатсияи ангезишёфтаро интихобан афзоиш диҳад, то монохроматӣ беҳтар шавад (таъмини баровардани лазер бо энергияи муайян).

Сохтори мувофиқ дар расми боло нишон дода шудааст, ки сохтори оддии лазери YAG мебошад. Сохторҳои дигар метавонанд мураккабтар бошанд, аммо асоси он ин аст. Раванди тавлиди лазер дар расм нишон дода шудааст:

Таснифоти лазер: одатан аз рӯи муҳити афзоиш ё аз рӯи шакли энергияи лазер тасниф карда мешавад

Таснифоти миёнаро ба даст оред:

Лазери гази карбонМуҳити пурқувваткунандаи лазери гази карбон гелий аст валазери CO2,бо дарозии мавҷи лазерӣ 10.6 мкм, ки яке аз аввалин маҳсулоти лазерӣ мебошад, ки ба кор андохта шудааст. Кафшери аввалини лазерӣ асосан ба лазери гази карбон асос ёфта буд, ки айни замон асосан барои кафшер ва буридани маводҳои ғайриметаллӣ (матоъҳо, пластикҳо, чӯб ва ғайра) истифода мешавад. Ғайр аз ин, он инчунин дар мошинҳои литография истифода мешавад. Лазери гази карбон наметавонад тавассути нахҳои оптикӣ интиқол дода шавад ва аз роҳҳои оптикии фазоӣ мегузарад. Аввалин Тонгкуай нисбатан хуб анҷом дода шуд ва таҷҳизоти зиёди буридан истифода мешуд;

Лазери YAG (гранити алюминии иттрий): Кристаллҳои YAG, ки бо ионҳои металлии неодим (Nd) ё иттрий (Yb) омехта шудаанд, ҳамчун муҳити афзоиши лазер истифода мешаванд, ки дарозии мавҷи партов 1.06 мкм аст. Лазери YAG метавонад импулсҳои баландтарро барорад, аммо қувваи миёна паст аст ва қувваи авҷ метавонад ба 15 маротиба аз қувваи миёна зиёдтар расад. Агар он асосан лазери импулсӣ бошад, баромади пайваста ба даст оварда намешавад; аммо онро тавассути нахҳои оптикӣ интиқол додан мумкин аст ва дар айни замон, суръати азхудкунии маводҳои металлӣ меафзояд ва он дар маводҳои инъикоси баланд, ки бори аввал дар майдони 3C истифода мешаванд, татбиқ мешавад;

Лазери нахӣ: Ҷараёни асосии бозор ҳамчун воситаи тақвиятдиҳанда нахи иттербий бо допинг истифода мебарад, ки дарозии мавҷи он 1060 нм аст. Он инчунин вобаста ба шакли васила ба лазерҳои нахӣ ва дискӣ тақсим мешавад; нахи оптикӣ IPG-ро ифода мекунад, дар ҳоле ки диск Тонгкуайро ифода мекунад.

Лазери нимноқил: Муҳити тақвиятдиҳанда пайванди PN-и нимноқил аст ва дарозии мавҷи лазери нимноқил асосан 976 нм аст. Дар айни замон, лазерҳои наздики инфрасурхи нимноқил асосан барои рӯйпӯшкунӣ истифода мешаванд, ки нуқтаҳои рӯшноӣ аз 600 мкм зиёданд. Laserline як корхонаи намояндагии лазерҳои нимноқил аст.

Аз рӯи шакли таъсири энергия тасниф мешавад: лазери импулсӣ (PULSE), лазери квази-пайваста (QCW), лазери пайваста (CW)

Лазери импулсӣ: наносония, пикосония, фемтосония, ин лазери импулсии басомади баланд (ns, паҳнои импулс) аксар вақт метавонад ба коркарди қуллаҳои баланд, басомади баланд (MHZ) ноил гардад, ки барои коркарди маводҳои тунуки мис ва алюминийи гуногун, инчунин асосан тозакунӣ истифода мешавад. Бо истифода аз энергияи қуллаҳои баланд, он метавонад маводи асосиро зуд об кунад, бо вақти ками таъсир ва минтақаи ками гармӣ. Он дар коркарди маводҳои ултра тунук (камтар аз 0,5 мм) бартариҳо дорад;

Лазери квази-пайваста (QCW): Аз сабаби суръати баланди такрор ва давраи пасти кор (камтар аз 50%), паҳнои импулсЛазери QCWба 50 us-50 ms мерасад ва фосилаи байни лазери нахи пайвастаи сатҳи киловатт ва лазери импулсии Q-коммутатсионӣ пур мекунад; Қувваи авҷи лазери нахи квази пайваста метавонад дар ҳолати кори доимӣ ба 10 маротиба аз қувваи миёна бирасад. Лазерҳои QCW одатан ду режим доранд, яке кафшери пайваста бо қувваи паст ва дигаре кафшери лазерии импулсӣ бо қувваи авҷи 10 маротиба аз қувваи миёна мебошад, ки метавонад ба маводҳои ғафстар ва кафшери гармии бештар ноил гардад, дар айни замон гармиро дар доираи хеле хурд назорат кунад;

Лазери пайваста (CW): Ин маъмултарин истифодашаванда аст ва аксари лазерҳое, ки дар бозор дида мешаванд, лазерҳои CW мебошанд, ки барои коркарди кафшер пайваста лазер мебароранд. Лазерҳои нахӣ мувофиқи диаметрҳои аслӣ ва сифатҳои гуногуни нур ба лазерҳои якмода ва бисёрмода тақсим мешаванд ва метавонанд ба сенарияҳои гуногуни татбиқ мутобиқ карда шаванд.