Laser Sorkuntzaren Printzipioa

Zergatik jakin behar dugu laserren printzipioa?

Erdieroale laser arrunten, zuntz optikoen, diskoen eta... arteko desberdintasunak ezagutzeaYAG laserrahautaketa prozesuan zehar hobeto ulertzen eta eztabaida gehiagotan parte hartzen ere lagun dezake.

Artikuluak zientzia dibulgatzailean jartzen du arreta batez ere: laser sorreraren printzipioaren sarrera laburra, laserren egitura nagusia eta laser mota ohikoenak.

Lehenik eta behin, laser sorkuntzaren printzipioa

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

1. oinarri teorikoa: Bohrren eredua

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

Laserra gerta daitekeen arrazoia da elektroiak orbita desberdinetan mugituko direla eredu honetan. Elektroiak energia xurgatzen badute, oinarrizko egoeratik egoera kitzikatura joan daitezke; elektroi bat egoera kitzikatutik oinarrizko egoerara itzultzen bada, energia askatuko du, eta hori askotan laser moduan askatzen da.

2. oinarri teorikoa: Einsteinen erradiazio estimulatuaren teoria

1917an, Einsteinek erradiazio estimulatuaren teoria proposatu zuen, laserren eta laser ekoizpenaren oinarri teorikoa dena: materiaren xurgapena edo igorpena funtsean erradiazio-eremuaren eta materia osatzen duten partikulen arteko elkarrekintzaren emaitza da, eta bere muina partikulen energia-maila desberdinen arteko trantsizioa da. Argiaren eta materiaren arteko elkarrekintzan hiru prozesu desberdin daude: igorpen espontaneoa, igorpen estimulatua eta xurgapen estimulatua. Partikula kopuru handia duen sistema batentzat, hiru prozesu hauek beti batera daude eta estuki lotuta daude.

Berezko igorpena:

Irudian erakusten den bezala: energia handiko E2 mailan dagoen elektroi bat berez igarotzen da energia baxuko E1 mailara eta hv energia duen fotoi bat igortzen du, eta hv=E2-E1; Trantsizio-prozesu espontaneo eta erlazionatu gabe horri trantsizio espontaneoa deritzo, eta trantsizio espontaneoek igortzen dituzten argi-uhinei erradiazio espontaneoa.

Igorpen espontaneoaren ezaugarriak: fotoi bakoitza independentea da, norabide eta fase desberdinekin, eta agerpen-denbora ere ausazkoa da. Argi inkoherente eta kaotikoa da, eta ez da laserrak behar duen argia. Beraz, laserra sortzeko prozesuak argi galdu mota hau murriztu behar du. Hori da, halaber, laser ezberdinen uhin-luzerak argi galdua izatearen arrazoietako bat. Ondo kontrolatzen bada, laserrean igorpen espontaneoaren proportzioa alde batera utzi daiteke. Laser puruagoa den heinean, 1060 nm-koa adibidez, 1060 nm-koa da guztia. Laser mota honek xurgapen-tasa eta potentzia nahiko egonkorrak ditu.

Xurgapen estimulatua:

Energia-maila baxuko elektroiek (orbital baxuak), fotoiak xurgatu ondoren, energia-maila handiagoetara (orbital altuak) igarotzen dira, eta prozesu horri xurgapen estimulatua deritzo. Xurgapen estimulatua funtsezkoa da eta ponpaketa-prozesu nagusietako bat da. Laserren ponpaketa-iturriak fotoi-energia ematen du irabazi-inguruneko partikulak trantsizioa egin eta energia-maila handiagoetako erradiazio estimulatuaren zain egon daitezen, laserra igorriz.

Erradiazio estimulatua:

Kanpoko energiaren argiak irradiatzen duenean (hv=E2-E1), energia-maila altuko elektroia kanpoko fotoiak kitzikatzen du eta energia-maila baxura jauzi egiten du (orbita altuak orbita baxura doa). Aldi berean, kanpoko fotoiaren berdin-berdina den fotoi bat igortzen du. Prozesu honek ez du jatorrizko kitzikapen-argia xurgatzen, beraz, bi fotoi berdin-berdin egongo dira, eta hau da, elektroiak aurretik xurgatu den fotoia botatzen duela uler daiteke. Lumineszentzia-prozesu horri erradiazio estimulatua deritzo, eta xurgapen estimulatuaren alderantzizko prozesua da.

Teoria argitu ondoren, oso erraza da laser bat eraikitzea, goiko irudian erakusten den bezala: materialen egonkortasun baldintza normaletan, elektroi gehienak oinarrizko egoeran daude, elektroiak oinarrizko egoeran, eta laserra erradiazio estimulatuaren menpe dago. Beraz, laserraren egitura xurgapen estimulatua lehenik gertatzea ahalbidetzea da, elektroiak energia maila altuera eramanez, eta ondoren kitzikapen bat ematea energia maila handiko elektroi kopuru handi batek erradiazio estimulatua jasateko, fotoiak askatuz. Hortik abiatuta, laserra sor daiteke. Ondoren, laserren egitura aurkeztuko dugu.

Laser egitura:

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

Gertaera-baldintza eta dagokion egitura:

1. Laser lan-euskarri gisa anplifikazio-efektua ematen duen irabazi-euskarri bat dago, eta haren partikula aktibatuek erradiazio estimulatua sortzeko egokia den energia-mailako egitura dute (batez ere elektroiak energia handiko orbitaletara ponpatzeko eta denbora-tarte jakin batez existitzeko gai dira, eta gero fotoiak askatzeko arnasaldi batean erradiazio estimulatuaren bidez);

2. Kanpoko kitzikapen-iturri bat dago (ponpaketa-iturria), elektroiak beheko mailatik goiko mailara ponpa ditzakeena, laserraren goiko eta beheko mailen artean partikula-kopuruaren inbertsioa eraginez (hau da, energia handiko partikula gehiago daudenean energia baxuko partikulak baino), hala nola YAG laserretan dagoen xenon-lanpara;

3. Laser oszilazioa lor dezakeen erresonantzia-barrunbe bat dago, laser lan-materialaren lan-luzera handitu, argi-uhinaren modua pantailatu, izpiaren hedapen-norabidea kontrolatu, estimulatutako erradiazio-maiztasuna selektiboki anplifikatu monokromatikotasuna hobetzeko (laserra energia jakin batean igortzen dela ziurtatuz).

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

Laserren sailkapena: normalean irabazi-euskarriaren edo laser-energiaren formaren arabera sailkatzen da

Irabazi ertaineko sailkapena:

Karbono dioxido laserraKarbono dioxidozko laserraren irabazi-euskarria helioa da etaCO2 laserra,10,6 um-ko laser uhin-luzerarekin, merkaturatu ziren lehenengo laser produktuetako bat da. Laser bidezko soldadura goiztiarra batez ere karbono dioxidozko laserrean oinarritzen zen, eta gaur egun material ez-metalikoak (oihalak, plastikoak, egurra, etab.) soldatzeko eta mozteko erabiltzen da batez ere. Horrez gain, litografia-makinetan ere erabiltzen da. Karbono dioxidozko laserra ezin da zuntz optikoen bidez transmititu eta bide optiko espazialen bidez bidaiatzen du. Lehenengo Tongkuai nahiko ondo egiten zen, eta ebaketa-ekipo asko erabiltzen ziren;

YAG (itrio aluminio granatea) laserra: Neodimio (Nd) edo itrio (Yb) metal ioiekin dopatutako YAG kristalak erabiltzen dira laser irabazteko euskarri gisa, 1,06 um-ko igorpen-uhin-luzerarekin. YAG laserrak pultsu handiagoak eman ditzake, baina batez besteko potentzia baxua da, eta gailurreko potentzia batez besteko potentziaren 15 aldiz handiagoa izan daiteke. Batez ere pultsu laserra bada, ezin da irteera jarraitua lortu; Baina zuntz optikoen bidez transmititu daiteke, eta, aldi berean, metal materialen xurgapen-tasa handitzen da, eta isladakortasun handiko materialetan aplikatzen hasi da, lehenik 3C eremuan aplikatuz;

Zuntz laserra: Merkatuko egungo joera nagusiak iterbioz dopatutako zuntza erabiltzen du irabazi-euskarri gisa, 1060 nm-ko uhin-luzerarekin. Euskarriaren formaren arabera, zuntz eta disko laserretan banatzen da; Zuntz optikoak IPG adierazten du, eta diskoak Tongkuai.

Erdieroale laserra: Irabazi-euskarria erdieroale PN junturak dira, eta erdieroale laserraren uhin-luzera 976 nm-koa da batez ere. Gaur egun, erdieroale infragorri hurbileko laserrak erabiltzen dira batez ere estaldura egiteko, 600 um-tik gorako argi-puntuekin. Laserline erdieroale laserren enpresa adierazgarria da.

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

Pultsu laserra: nanosegundoa, pikosegundoa, femtosegundoa, maiztasun handiko pultsu laser honek (ns, pultsu zabalera) energia maximo handia eta maiztasun handiko (MHZ) prozesamendua lor ditzake askotan, kobrezko eta aluminiozko material desberdinak prozesatzeko erabiltzen da, baita garbitzeko ere batez ere. Energia maximo handia erabiliz, oinarrizko materiala azkar urtu dezake, ekintza-denbora laburrarekin eta beroak eragindako eremu txikiarekin. Abantaila ditu material ultrameheak (0,5 mm baino gutxiago) prozesatzean;

Laser ia jarraitua (QCW): Errepikapen-tasa handia eta lan-ziklo baxua (% 50etik behera) direla eta, pultsu-zabaleraQCW laserra50 us-50 ms-ra iristen da, kilowatt mailako zuntz laser jarraituaren eta Q-switched pultsu laserraren arteko hutsunea betez; zuntz laser kuasi-jarrai baten potentzia maximoa funtzionamendu jarraitu moduko batez besteko potentziaren 10 aldiz handiagoa izan daiteke. QCW laserrek, oro har, bi modu dituzte, bata potentzia txikiko soldadura jarraitua da, eta bestea pultsu laser bidezko soldadura da, batez besteko potentziaren 10 aldiz handiagoa den potentzia maximoarekin, material lodiagoak eta bero soldadura gehiago lor ditzakeena, beroa tarte oso txiki batean kontrolatuz;

Laser Jarraitua (CW): Hau da erabiliena, eta merkatuan ikusten diren laser gehienak CW laserrak dira, soldadura-prozesatzeko laser-irteera jarraitua ematen dutenak. Zuntz-laserrak modu bakarreko eta modu anitzeko laserretan banatzen dira, nukleo-diametro eta izpi-kalitate desberdinen arabera, eta aplikazio-eszenatoki desberdinetara egokitu daitezke.