Laser Sorkuntzaren printzipioa

Zergatik ezagutu behar dugu laserren printzipioa?

Erdieroale arrunten laser, zuntz, disko eta desberdinen arteko desberdintasunak ezagutzeaYAG laserraaukeraketa prozesuan hobeto ulertzen eta eztabaida gehiagotan parte hartzen ere lagun dezake.

Artikulua dibulgazio-zientzian zentratzen da batez ere: laser sorkuntzaren printzipioari, laserren egitura nagusiari eta ohiko laser mota batzuei buruzko sarrera laburra.

Lehenik eta behin, laser sorkuntzaren printzipioa

Laser argiaren eta materiaren arteko elkarrekintzaren bidez sortzen da, erradiazio estimulatuaren anplifikazioa bezala ezagutzen dena; Erradiazio estimulatuaren anplifikazioa ulertzeak Einsteinen igorpen espontaneoaren, xurgapen estimulatuaren eta erradiazio estimulatuaren kontzeptuak ulertzea eskatzen du, baita beharrezko oinarri teoriko batzuk ere.

Oinarri teorikoa 1: Bohr eredua

Bohr ereduak batez ere atomoen barne egitura eskaintzen du, laserrak nola gertatzen diren ulertzeko. Atomo bat nukleo batez eta nukleotik kanpoko elektroiez osatuta dago, eta elektroien orbitalak ez dira arbitrarioak. Elektroiek orbital jakin batzuk baino ez dituzte, horien artean barneko orbitalari oinarrizko egoera deitzen zaio; Elektroi bat oinarrizko egoeran badago, bere energia baxuena da. Elektroi bat orbita batetik jauzi egiten bada, lehenengo egoera kitzikatua deitzen zaio, eta lehenengo egoera kitzikatuaren energia oinarrizko egoerarena baino handiagoa izango da; Beste orbita bati bigarren egoera kitzikatua deitzen zaio;

Lazerra gerta daitekeen arrazoia eredu honetan elektroiak orbita ezberdinetan mugituko direlako da. Elektroiek energia xurgatzen badute, oinarrizko egoeratik egoera kitzikatura joan daitezke; Elektroi bat egoera kitzikatutik oinarrizko egoerara itzultzen bada, energia askatuko du, askotan laser moduan askatzen dena.

2. Oinarri teorikoa: Einsteinen Erradiazio Estimulatuaren Teoria

1917an, Einsteinek erradiazio estimulatuaren teoria proposatu zuen, hau da laserrak eta laser ekoizpenaren oinarri teorikoa: materiaren xurgapena edo igorpena, funtsean, erradiazio-eremuaren eta materia osatzen duten partikulen eta haren nukleoaren arteko elkarrekintzaren ondorioa da. esentzia energia maila ezberdinen arteko partikulen trantsizioa da. Argiaren eta materiaren arteko elkarrekintzan hiru prozesu ezberdin daude: berezko igorpena, igorpen estimulatua eta xurgapen estimulatua. Partikula-kopuru handia duen sistema baterako, hiru prozesu hauek beti elkarrekin bizi dira eta estu lotuta daude.

Berezko isuria:

Irudian ikusten den moduan: E2 energia handiko elektroi bat energia baxuko E1 mailara berez igarotzen da eta hv energia duen fotoi bat igortzen du, eta hv=E2-E1; Berezko eta erlaziorik gabeko trantsizio-prozesu horri trantsizio espontaneoa deitzen zaio, eta trantsizio espontaneoek igortzen dituzten argi-uhinei erradiazio espontaneoa deitzen zaie.

Igorpen espontaneoaren ezaugarriak: Fotoi bakoitza independentea da, norabide eta fase ezberdinekin, eta gertaera-denbora ere ausazkoa da. Argi inkoherente eta kaotikoari dagokio, ez baita laserrak eskatzen duen argia. Hori dela eta, laser sortze prozesuak argi mota hori murriztu behar du. Hau da, halaber, hainbat laserren uhin-luzerak argi galdua izatearen arrazoietako bat. Ondo kontrolatzen bada, laserren berezko igorpenaren proportzioa alde batera utzi daiteke. Laserra zenbat eta garbiagoa izan, esate baterako, 1060 nm, dena 1060 nm da, Laser mota honek xurgapen-tasa eta potentzia nahiko egonkorra du.

Xurgapen estimulatua:

Energia maila baxuko elektroiak (orbital baxuak), fotoiak xurgatu ondoren, energia maila altuetara igarotzen dira (orbital altuak), eta prozesu horri xurgapen estimulatua deritzo. Xurgapen estimulatua funtsezkoa da eta ponpaketa prozesu nagusietako bat. Laserraren ponpa-iturburuak fotoi-energia ematen du, irabazi-medioan dauden partikulak trantsizioa eragiteko eta energia-maila handiagoko erradiazio estimulatua itxaron, laserra igortzeko.

Erradiazio estimulatua:

Kanpo-energiaren argiak irradiatzen duenean (hv=E2-E1), energia-maila handiko elektroia kanpoko fotoiak kitzikatzen du eta energia baxuko mailara jauzi egiten du (orbita altua orbita baxura doa). Aldi berean, kanpoko fotoiaren berdina den fotoi bat igortzen du. Prozesu honek ez du jatorrizko kitzikapen-argia xurgatzen, beraz, bi fotoi berdin egongo dira, elektroiak aurretik xurgatutako fotoia txutzen duen moduan uler daitekeena. Lumineszentzia-prozesu honi erradiazio estimulatua deitzen zaio, hau da, xurgapen estimulatuaren alderantzizko prozesuari.

Teoria argia izan ondoren, oso erraza da laser bat eraikitzea, goiko irudian ikusten den bezala: material egonkortasun baldintza normaletan, elektroi gehien-gehienak oinarrizko egoeran daude, elektroiak oinarrizko egoeran daude eta laserra araberakoa da. erradiazio estimulatua. Hori dela eta, laserren egitura xurgapen estimulatua lehenik eta behin, elektroiak energia-maila altuera eramanez eta, ondoren, kitzikapen bat emanez, energia-maila handiko elektroi kopuru handi batek erradiazio estimulatua jasan dezaten, fotoiak askatuz. laserra sor daiteke. Jarraian, laser egitura aurkeztuko dugu.

Laser egitura:

Lotu laser-egitura lehen aipatutako laser-sorkuntza-baldintzekin banan-banan:

Gertaera egoera eta dagokion egitura:

1. Laser lanerako euskarri gisa anplifikazio efektua ematen duen irabazi-medio bat dago, eta bere partikulek aktibatutako partikulek erradiazio estimulatua sortzeko egokia den energia-mailako egitura dute (batez ere elektroiak energia handiko orbitaletara ponpatzeko gai dira eta denbora-tarte jakin baterako existitzen dira). , eta gero fotoiak askatu arnasaldi batean erradiazio estimulatuaren bidez);

2. Bada kanpoko kitzikapen-iturri bat (ponpa-iturria), elektroiak beheko mailatik goiko mailara ponpatzen dituena, eta laserren goiko eta beheko mailen artean partikula-zenbakiaren inbertsioa eraginez (hau da, energia handiko partikula gehiago daudenean baino energia baxuko partikulak), esate baterako, YAG laserretako xenon lanpara;

3. Laser oszilazioa lor dezakeen oihartzun-barrunbe bat dago, laser laneko materialaren lan luzera handitu, argi-uhinaren modua pantailaratu, izpiaren hedapen-norabidea kontrolatu, estimulatutako erradiazio-maiztasuna selektiboki anplifikatu monokromatikotasuna hobetzeko (bermatuz. laserra energia jakin batean ateratzen da).

Dagokion egitura goiko irudian ageri da, hau da, YAG laser baten egitura sinple bat. Beste egitura batzuk konplexuagoak izan daitezke, baina muina hau da. Laser sortzeko prozesua irudian ageri da:

Laser-sailkapena: orokorrean irabazi-medioaren arabera edo laser-energia formaren arabera sailkatuta dago

Lortu sailkapen ertaina:

Karbono dioxidoaren laserra: Karbono dioxidoaren laserren irabazi-medioa helioa da etaCO2 laserra,10,6um-ko laser uhin-luzerarekin, hau da, merkaturatu den laser produkturik goiztiarrenetako bat. Laser soldadura goiztiarra karbono dioxidoaren laserra zen batez ere, gaur egun metalezkoak ez diren materialak (ehunak, plastikoak, egurra, etab.) soldatzeko eta ebakitzeko erabiltzen dena. Horrez gain, litografia-makinetan ere erabiltzen da. Karbono dioxidoaren laserra ezin da zuntz optikoen bidez transmititu eta bide optiko espazialen bidez bidaiatzen da, Tongkuai goiztiarra nahiko ondo egin zen eta ebaketa-ekipamendu asko erabili ziren;

YAG (itrio aluminio granatea) laserra: neodimio (Nd) edo itrio (Yb) metal ioiekin dopatutako YAG kristalak laser irabazteko medio gisa erabiltzen dira, 1,06 um-ko igorpen-uhin-luzerarekin. YAG laserrak pultsu handiagoak atera ditzake, baina batez besteko potentzia baxua da eta potentzia gailurra batez besteko potentzia baino 15 aldiz irits daiteke. Batez ere pultsu-laser bat bada, etengabeko irteera ezin da lortu; Baina zuntz optikoen bidez transmititu daiteke, eta, aldi berean, metalezko materialen xurgapen-tasa handitzen da, eta islapen handiko materialetan aplikatzen hasi da, lehen 3C eremuan aplikatuta;

Zuntz laserra: egungo merkatuko korronte nagusiak itterbioz dopatutako zuntza erabiltzen du irabazteko medio gisa, 1060 nm-ko uhin-luzerarekin. Gehiago zuntz eta disko laserretan banatzen da medioaren formaren arabera; Zuntz optikoak IPG adierazten du, eta diskoak Tongkuai adierazten du.

Laser erdieroalea: irabazi-medioa PN erdieroaleen juntura da, eta laser erdieroalearen uhin-luzera batez ere 976 nm-koa da. Gaur egun, erdieroaleak infragorri hurbileko laserrak estaltzeko erabiltzen dira batez ere, 600um-tik gorako argi-puntuekin. Laserline laser erdieroaleen enpresa ordezkari bat da.

Energia-ekintzaren formaren arabera sailkatuta: Pultsu laserra (PULSE), laser ia etengabea (QCW), laser jarraitua (CW)

Pultsu laserra: nanosegundoa, pikosegundoa, femtosegundoa, maiztasun handiko pultsu laser honek (ns, pultsu-zabalera) sarritan energia gailur handia lor dezake, maiztasun handiko (MHZ) prozesatzea, kobre mehe eta aluminiozko material ezberdinen prozesatzeko erabiltzen dena, baita garbiketa batez ere. . Energia gailur handia erabiliz, oinarrizko materiala azkar urtu dezake, ekintza denbora baxuarekin eta bero kaltetutako zona txikiarekin. Material ultrameheak prozesatzeko abantailak ditu (0,5 mm-tik behera);

Laser ia jarraitua (QCW): errepikapen-tasa handia eta lan-ziklo baxua direla eta (% 50etik behera), pultsuaren zabaleraQCW laserra50 us-50 ms-ra iristen da, kilowatt-mailako etengabeko zuntz-laseraren eta Q-switched pultsu-laseraren arteko tartea betez; Zuntz ia etengabeko laser baten potentzia gailurra 10 aldiz irits daiteke batez besteko potentzia modu jarraituan. QCW laserrek, oro har, bi modu dituzte, bata potentzia baxuan etengabeko soldadura da, eta bestea pultsatuko laser soldadura da, batez besteko potentzia baino 10 aldiz gailurra duena, material lodiagoak eta bero soldadura gehiago lor ditzaketenak, beroa kontrolatzen duen bitartean. sorta oso txikia;

Etengabeko Laser (CW): Hau da gehien erabiltzen dena, eta merkatuan ikusten diren laser gehienak soldadura prozesatzeko laserra etengabe ateratzen duten CW laser dira. Zuntz laserrak modu bakarreko eta modu anitzeko laserretan banatzen dira nukleoaren diametro eta habe-kalitate desberdinen arabera, eta aplikazio-eszenatoki desberdinetara egokitu daitezke.