Pam mae angen i ni wybod egwyddor laserau?
Gwybod y gwahaniaethau rhwng laserau lled-ddargludyddion cyffredin, ffibrau, disgiau, aYAG lasergall hefyd helpu i gael gwell dealltwriaeth a chymryd rhan mewn mwy o drafodaethau yn ystod y broses ddethol.
Mae'r erthygl yn canolbwyntio'n bennaf ar wyddoniaeth boblogaidd: cyflwyniad byr i'r egwyddor o gynhyrchu laser, prif strwythur laserau, a sawl math cyffredin o laserau.
Yn gyntaf, yr egwyddor o gynhyrchu laser
Cynhyrchir laser trwy'r rhyngweithio rhwng golau a mater, a elwir yn ymhelaethiad ymbelydredd ysgogol; Mae deall ymhelaethu ar ymbelydredd ysgogol yn gofyn am ddeall cysyniadau Einstein o allyriadau digymell, amsugno ysgogol, ac ymbelydredd ysgogol, yn ogystal â rhai sylfeini damcaniaethol angenrheidiol.
Sail Damcaniaethol 1: Model Bohr
Mae model Bohr yn darparu strwythur mewnol atomau yn bennaf, gan ei gwneud hi'n hawdd deall sut mae laserau'n digwydd. Mae atom yn cynnwys niwclews ac electronau y tu allan i'r niwclews, ac nid yw orbitalau electronau yn fympwyol. Dim ond orbitalau penodol sydd gan electronau, ac ymhlith y rhain gelwir yr orbital mwyaf mewnol yn gyflwr daear; Os yw electron yn y cyflwr daear, ei egni yw'r isaf. Os bydd electron yn neidio allan o orbit, fe'i gelwir yn gyflwr cynhyrfus cyntaf, a bydd egni'r cyflwr cynhyrfus cyntaf yn uwch nag egni'r cyflwr daear; Gelwir orbit arall yr ail gyflwr cynhyrfus;
Y rheswm pam y gall laser ddigwydd yw oherwydd y bydd electronau'n symud mewn orbitau gwahanol yn y model hwn. Os yw electronau'n amsugno egni, gallant redeg o gyflwr y ddaear i'r cyflwr cynhyrfus; Os bydd electron yn dychwelyd o'r cyflwr cynhyrfus i'r cyflwr daear, bydd yn rhyddhau egni, sy'n aml yn cael ei ryddhau ar ffurf laser.
Sail Ddamcaniaethol 2: Theori Ymbelydredd wedi'i Ysgogi Einstein
Ym 1917, cynigiodd Einstein ddamcaniaeth ymbelydredd ysgogol, sef y sail ddamcaniaethol ar gyfer laserau a chynhyrchu laser: yn ei hanfod mae amsugno neu allyrru mater yn ganlyniad y rhyngweithio rhwng y maes ymbelydredd a'r gronynnau sy'n ffurfio mater, a'i graidd. hanfod yw trawsnewid gronynnau rhwng lefelau egni gwahanol. Mae tair proses wahanol yn y rhyngweithio rhwng golau a mater: allyriadau digymell, allyriadau ysgogol, ac amsugno ysgogol. Ar gyfer system sy'n cynnwys nifer fawr o ronynnau, mae'r tair proses hyn bob amser yn cydfodoli ac yn perthyn yn agos.
Allyriad digymell:
Fel y dangosir yn y ffigwr: mae electron ar y lefel egni uchel E2 yn trawsnewid yn ddigymell i'r lefel egni isel E1 ac yn allyrru ffoton gydag egni o hv, a hv=E2-E1; Gelwir y broses drosglwyddo ddigymell a digyswllt hon yn drawsnewidiad digymell, a gelwir y tonnau golau a allyrrir gan drawsnewidiadau digymell yn belydriad digymell.
Nodweddion allyriadau digymell: Mae pob ffoton yn annibynnol, gyda chyfeiriadau a chyfnodau gwahanol, ac mae'r amser digwyddiad hefyd ar hap. Mae'n perthyn i olau anghydlynol ac anhrefnus, nad dyna'r golau sy'n ofynnol gan y laser. Felly, mae angen i'r broses gynhyrchu laser leihau'r math hwn o olau strae. Mae hyn hefyd yn un o'r rhesymau pam mae gan donfedd amrywiol laserau olau crwydr. Os caiff ei reoli'n dda, gellir anwybyddu cyfran yr allyriadau digymell yn y laser. Po fwyaf pur yw'r laser, fel 1060 nm, mae'r cyfan yn 1060 nm, Mae gan y math hwn o laser gyfradd amsugno cymharol sefydlog a phŵer.
Amsugno wedi'i ysgogi:
Mae electronau ar lefelau egni isel (orbitalau isel), ar ôl amsugno ffotonau, yn trosglwyddo i lefelau egni uwch (orbitalau uchel), a gelwir y broses hon yn amsugno ysgogol. Mae amsugno ysgogol yn hanfodol ac yn un o'r prosesau pwmpio allweddol. Mae ffynhonnell pwmp y laser yn darparu ynni ffoton i achosi gronynnau yn y cyfrwng ennill i drawsnewid ac aros am ymbelydredd ysgogol ar lefelau egni uwch, gan allyrru'r laser.
Ymbelydredd wedi'i ysgogi:
Pan gaiff ei arbelydru gan olau egni allanol (hv=E2-E1), mae'r electron ar y lefel egni uchel yn cael ei gyffroi gan y ffoton allanol ac yn neidio i'r lefel egni isel (mae'r orbit uchel yn rhedeg i'r orbit isel). Ar yr un pryd, mae'n allyrru ffoton sydd yn union yr un fath â'r ffoton allanol. Nid yw'r broses hon yn amsugno'r golau excitation gwreiddiol, felly bydd dau ffoton union yr un fath, y gellir eu deall wrth i'r electron boeri allan y ffoton a amsugnwyd yn flaenorol, Gelwir y broses luminescence hon yn ymbelydredd ysgogol, sef y broses gwrthdroi o amsugno ysgogol.
Ar ôl i'r ddamcaniaeth fod yn glir, mae'n syml iawn adeiladu laser, fel y dangosir yn y ffigur uchod: o dan amodau arferol sefydlogrwydd deunydd, mae mwyafrif helaeth yr electronau yn y cyflwr daear, electronau yn y cyflwr daear, ac mae laser yn dibynnu ar ymbelydredd wedi'i ysgogi. Felly, strwythur y laser yw caniatáu i amsugno ysgogol ddigwydd yn gyntaf, gan ddod ag electronau i'r lefel egni uchel, ac yna darparu cyffro i achosi i nifer fawr o electronau lefel egni uchel gael ymbelydredd ysgogol, gan ryddhau ffotonau, O hyn, gellir cynhyrchu laser. Nesaf, byddwn yn cyflwyno'r strwythur laser.
Strwythur laser:
Cydweddwch y strwythur laser â'r amodau cynhyrchu laser a grybwyllwyd yn gynharach fesul un:
Cyflwr y digwyddiad a'r strwythur cyfatebol:
1. Mae cyfrwng ennill sy'n darparu effaith ymhelaethu fel y cyfrwng gweithio laser, ac mae gan ei ronynnau wedi'u actifadu strwythur lefel egni sy'n addas ar gyfer cynhyrchu ymbelydredd ysgogol (yn bennaf yn gallu pwmpio electronau i orbitalau ynni uchel ac yn bodoli am gyfnod penodol o amser , ac yna rhyddhau ffotonau mewn un anadl trwy ymbelydredd ysgogol);
2. Mae ffynhonnell excitation allanol (ffynhonnell pwmp) a all bwmpio electronau o'r lefel is i'r lefel uchaf, gan achosi gwrthdroad rhif gronynnau rhwng lefelau uchaf ac isaf y laser (hy, pan fo mwy o ronynnau ynni uchel na gronynnau ynni isel), fel y lamp xenon mewn laserau YAG;
3. Mae ceudod soniarus sy'n gallu cyflawni osciliad laser, cynyddu hyd gweithio'r deunydd gweithio laser, sgrinio'r modd tonnau golau, rheoli cyfeiriad lluosogi y trawst, yn ddetholus ymhelaethu ar yr amledd ymbelydredd ysgogedig i wella monocromaticity (sicrhau bod y laser yn cael ei allbynnu ar egni penodol).
Dangosir y strwythur cyfatebol yn y ffigur uchod, sef strwythur syml o laser YAG. Gall strwythurau eraill fod yn fwy cymhleth, ond y craidd yw hyn. Dangosir y broses cynhyrchu laser yn y ffigur:
Dosbarthiad laser: wedi'i ddosbarthu'n gyffredinol yn ôl cyfrwng ennill neu yn ôl ffurf ynni laser
Ennill dosbarthiad canolig:
laser carbon deuocsid: Y cyfrwng ennill o laser carbon deuocsid yw heliwm alaser CO2,gyda thonfedd laser o 10.6um, sef un o'r cynhyrchion laser cynharaf i'w lansio. Roedd y weldio laser cynnar yn seiliedig yn bennaf ar laser carbon deuocsid, a ddefnyddir yn bennaf ar hyn o bryd ar gyfer weldio a thorri deunyddiau anfetelaidd (ffabrigau, plastigau, pren, ac ati). Yn ogystal, fe'i defnyddir hefyd ar beiriannau lithograffeg. Ni ellir trosglwyddo laser carbon deuocsid trwy ffibrau optegol ac mae'n teithio trwy lwybrau optegol gofodol, Gwnaed y Tongkuai cynharaf yn gymharol dda, a defnyddiwyd llawer o offer torri;
YAG (garnet alwminiwm yttrium) laser: Defnyddir crisialau YAG wedi'u dopio ag ïonau metel neodymium (Nd) neu yttrium (Yb) fel cyfrwng ennill laser, gyda thonfedd allyriadau o 1.06um. Gall y laser YAG allbwn curiadau uwch, ond mae'r pŵer cyfartalog yn isel, a gall y pŵer brig gyrraedd 15 gwaith y pŵer cyfartalog. Os yw'n laser pwls yn bennaf, ni ellir cyflawni allbwn parhaus; Ond gellir ei drosglwyddo trwy ffibrau optegol, ac ar yr un pryd, mae cyfradd amsugno deunyddiau metel yn cynyddu, ac mae'n dechrau cael ei gymhwyso mewn deunyddiau adlewyrchedd uchel, a gymhwysir gyntaf yn y maes 3C;
Laser ffibr: Mae'r brif ffrwd bresennol yn y farchnad yn defnyddio ffibr dop ytterbium fel y cyfrwng ennill, gyda thonfedd o 1060nm. Fe'i rhennir ymhellach yn laserau ffibr a disg yn seiliedig ar siâp y cyfrwng; Mae ffibr optig yn cynrychioli IPG, tra bod disg yn cynrychioli Tongkuai.
Laser lled-ddargludyddion: Cyffordd PN lled-ddargludyddion yw'r cyfrwng ennill, ac mae tonfedd y laser lled-ddargludyddion yn bennaf yn 976nm. Ar hyn o bryd, defnyddir laserau lled-ddargludyddion agos-isgoch yn bennaf ar gyfer cladin, gyda smotiau golau yn uwch na 600wm. Mae Laserline yn fenter gynrychioliadol o laserau lled-ddargludyddion.
Wedi'i ddosbarthu yn ôl ffurf gweithredu ynni: laser pwls (PULSE), laser lled barhaus (QCW), laser parhaus (CW)
Laser pwls: nanosecond, picosecond, femtosecond, gall y laser pwls amledd uchel hwn (ns, lled pwls) yn aml gyflawni prosesu ynni brig uchel, amledd uchel (MHZ), a ddefnyddir ar gyfer prosesu deunyddiau annhebyg o gopr ac alwminiwm tenau, yn ogystal â glanhau yn bennaf . Trwy ddefnyddio ynni brig uchel, gall doddi'r deunydd sylfaen yn gyflym, gydag amser gweithredu isel a pharth yr effeithir ar wres bach. Mae ganddo fanteision wrth brosesu deunyddiau uwch-denau (llai na 0.5mm);
Laser lled barhaus (QCW): Oherwydd cyfradd ailadrodd uchel a chylch dyletswydd isel (o dan 50%), lled pwlslaser QCWcyrraedd 50 us-50 ms, llenwi'r bwlch rhwng lefel cilowat laser ffibr parhaus a Q-switsh laser pwls; Gall pŵer brig laser ffibr lled barhaus gyrraedd 10 gwaith y pŵer cyfartalog o dan weithrediad modd parhaus. Yn gyffredinol, mae gan laserau QCW ddau fodd, mae un yn weldio parhaus ar bŵer isel, a'r llall yn weldio laser pwls gyda phŵer brig o 10 gwaith y pŵer cyfartalog, a all gyflawni deunyddiau mwy trwchus a mwy o weldio gwres, tra hefyd yn rheoli'r gwres o fewn a amrediad bach iawn;
Laser Parhaus (CW): Dyma'r un a ddefnyddir amlaf, a'r rhan fwyaf o'r laserau a welir ar y farchnad yw laserau CW sy'n allbwn laser yn barhaus ar gyfer prosesu weldio. Rhennir laserau ffibr yn laserau un modd ac aml-ddull yn ôl gwahanol ddiamedrau craidd a rhinweddau trawst, a gellir eu haddasu i wahanol senarios cais.
Amser postio: Rhagfyr-20-2023
