Egwyddor Cynhyrchu Laser

Pam mae angen i ni wybod egwyddor laserau?

Gwybod y gwahaniaethau rhwng laserau lled-ddargludyddion cyffredin, ffibrau, disgiau, aLaser YAGgall 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 egwyddor cynhyrchu laserau, prif strwythur laserau, a sawl math cyffredin o laserau.

Yn gyntaf, egwyddor cynhyrchu laser

Cynhyrchir laser trwy'r rhyngweithio rhwng golau a mater, a elwir yn ymhelaethiad ymbelydredd wedi'i ysgogi; Mae deall ymhelaethiad ymbelydredd wedi'i ysgogi yn gofyn am ddealltwriaeth o gysyniadau Einstein o allyriadau digymell, amsugno wedi'i ysgogi, ac ymbelydredd wedi'i ysgogi, yn ogystal â rhai sylfeini damcaniaethol angenrheidiol.

Sail Ddamcaniaethol 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 yw electron yn neidio allan o orbit, fe'i gelwir yn gyflwr cyffrous cyntaf, a bydd egni'r cyflwr cyffrous cyntaf yn uwch nag egni'r cyflwr daear; Gelwir orbit arall yn ail gyflwr cyffrous;

Y rheswm pam y gall laser ddigwydd yw oherwydd bydd electronau'n symud mewn orbitau gwahanol yn y model hwn. Os yw electronau'n amsugno ynni, gallant redeg o'r cyflwr daear i'r cyflwr cyffrous; Os bydd electron yn dychwelyd o'r cyflwr cyffrous i'r cyflwr daear, bydd yn rhyddhau ynni, sy'n aml yn cael ei ryddhau ar ffurf laser.

Sail Ddamcaniaethol 2: Damcaniaeth Ymbelydredd Ysgogedig Einstein

Ym 1917, cynigiodd Einstein y ddamcaniaeth o ymbelydredd wedi'i ysgogi, sef y sail ddamcaniaethol ar gyfer laserau a chynhyrchu laserau: mae amsugno neu allyriad mater yn ganlyniad i'r rhyngweithio rhwng y maes ymbelydredd a'r gronynnau sy'n ffurfio mater, a'i hanfod craidd yw'r trawsnewidiad gronynnau rhwng gwahanol lefelau ynni. Mae tri phroses wahanol yn y rhyngweithio rhwng golau a mater: allyriad digymell, allyriad wedi'i ysgogi, ac amsugno wedi'i ysgogi. Ar gyfer system sy'n cynnwys nifer fawr o ronynnau, mae'r tri phroses hyn bob amser yn cydfodoli ac yn gysylltiedig yn agos.

Allyriad digymell:

Fel y dangosir yn y ffigur: 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 drawsnewid ddigymell a digyswllt hon yn drawsnewidiad digymell, a gelwir y tonnau golau a allyrrir gan drawsnewidiadau digymell yn ymbelydredd digymell.

Nodweddion allyriadau digymell: Mae pob ffoton yn annibynnol, gyda chyfeiriadau a chyfnodau gwahanol, ac mae'r amser digwydd hefyd yn ar hap. Mae'n perthyn i olau anghyson ac anhrefnus, nad yw'n olau sydd ei angen ar y laser. Felly, mae angen i'r broses gynhyrchu laser leihau'r math hwn o olau crwydr. Dyma hefyd un o'r rhesymau pam mae tonfedd gwahanol laserau yn cynnwys golau crwydr. Os caiff ei reoli'n dda, gellir anwybyddu cyfran yr allyriadau digymell yn y laser. Po buraf yw'r laser, fel 1060 nm, y mwyaf yw 1060 nm. Mae gan y math hwn o laser gyfradd amsugno a phŵer cymharol sefydlog.

Amsugno wedi'i ysgogi:

Mae electronau ar lefelau ynni isel (orbitalau isel), ar ôl amsugno ffotonau, yn trawsnewid i lefelau ynni uwch (orbitalau uchel), a gelwir y broses hon yn amsugno wedi'i ysgogi. Mae amsugno wedi'i ysgogi yn hanfodol ac yn un o'r prosesau pwmpio allweddol. Mae ffynhonnell pwmp y laser yn darparu ynni ffoton i achosi i ronynnau yn y cyfrwng ennill drawsnewid ac aros am ymbelydredd wedi'i ysgogi ar lefelau ynni uwch, gan allyrru'r laser.

Ymbelydredd wedi'i ysgogi:

Pan gaiff ei arbelydru gan olau ynni allanol (hv=E2-E1), mae'r electron ar y lefel ynni uchel yn cael ei gyffroi gan y ffoton allanol ac yn neidio i'r lefel ynni isel (mae'r orbit uchel yn rhedeg i'r orbit isel). Ar yr un pryd, mae'n allyrru ffoton sydd yr un fath yn union â'r ffoton allanol. Nid yw'r broses hon yn amsugno'r golau cyffroi gwreiddiol, felly bydd dau ffoton union yr un fath, y gellir eu deall fel bod yr electron yn poeri allan y ffoton a amsugnwyd yn flaenorol. Gelwir y broses oleuedd hon yn ymbelydredd wedi'i ysgogi, sef y broses wrthdro o amsugno wedi'i ysgogi.

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'r mwyafrif helaeth o 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 wedi'i ysgogi ddigwydd yn gyntaf, gan ddod ag electronau i'r lefel ynni uchel, ac yna darparu cyffro i achosi i nifer fawr o electronau lefel ynni uchel gael eu hysgogi gan ymbelydredd, gan ryddhau ffotonau. O hyn, gellir cynhyrchu laser. Nesaf, byddwn yn cyflwyno strwythur y laser.

Strwythur laser:

Parwch strwythur y 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 ynni sy'n addas ar gyfer cynhyrchu ymbelydredd wedi'i ysgogi (yn bennaf yn gallu pwmpio electronau i orbitalau ynni uchel a bodoli am gyfnod penodol o amser, ac yna rhyddhau ffotonau mewn un anadl trwy ymbelydredd wedi'i ysgogi);

2. Mae ffynhonnell gyffroi allanol (ffynhonnell bwmpio) a all bwmpio electronau o'r lefel isaf i'r lefel uchaf, gan achosi gwrthdroad nifer gronynnau rhwng lefelau uchaf ac isaf y laser (h.y., pan fo mwy o ronynnau ynni uchel na gronynnau ynni isel), fel y lamp xenon mewn laserau YAG;

3. Mae ceudod atseiniol a all gyflawni osgiliad laser, cynyddu hyd gweithio'r deunydd gweithio laser, sgrinio'r modd tonnau golau, rheoli cyfeiriad lledaenu'r trawst, ymhelaethu'n ddetholus ar amledd yr ymbelydredd wedi'i ysgogi i wella monocromatigrwydd (gan sicrhau bod y laser yn cael ei allbynnu ar ynni 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 hwn. Dangosir y broses gynhyrchu laser yn y ffigur:

Dosbarthiad laser: wedi'i ddosbarthu'n gyffredinol yn ôl cyfrwng ennill neu yn ôl ffurf ynni laser

Dosbarthiad canolig ennill:

Laser carbon deuocsidHeliwm yw cyfrwng ennill laser carbon deuocsid aLaser CO2,gyda thonfedd laser o 10.6um, sef un o'r cynhyrchion laser cynharaf i gael ei lansio. Roedd y weldio laser cynnar yn seiliedig yn bennaf ar laser carbon deuocsid, a ddefnyddir ar hyn o bryd yn bennaf 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;

Laser YAG (garnet alwminiwm yttriwm): Defnyddir crisialau YAG wedi'u dopio ag ïonau metel neodymiwm (Nd) neu yttriwm (Yb) fel cyfrwng ennill laser, gyda thonfedd allyriadau o 1.06um. Gall y laser YAG allbynnu curiadau uwch, ond mae'r pŵer cyfartalog yn isel, a gall y pŵer brig gyrraedd 15 gwaith y pŵer cyfartalog. Os yw'n laser curiad 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 prif ffrwd gyfredol yn y farchnad yn defnyddio ffibr wedi'i dopio ag 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 agos-is-goch lled-ddargludyddion yn bennaf ar gyfer cladio, gyda mannau golau uwchlaw 600um. Mae Laserline yn fenter gynrychioliadol o laserau lled-ddargludyddion.

Wedi'i ddosbarthu yn ôl ffurf gweithredu ynni: laser pwls (PULSE), laser cwasi parhaus (QCW), laser parhaus (CW)

Laser pwls: nanoeiliad, picoseiliad, femtoseiliad, gall y laser pwls amledd uchel hwn (ns, lled pwls) gyflawni ynni brig uchel yn aml, prosesu amledd uchel (MHZ), a ddefnyddir ar gyfer prosesu deunyddiau copr tenau ac alwminiwm gwahanol, yn ogystal â glanhau yn bennaf. Trwy ddefnyddio ynni brig uchel, gall doddi'r deunydd sylfaen yn gyflym, gydag amser gweithredu isel a pharth bach yr effeithir arno gan wres. Mae ganddo fanteision wrth brosesu deunyddiau ultra-denau (islaw 0.5mm);

Laser cwasi parhaus (QCW): Oherwydd cyfradd ailadrodd uchel a chylch dyletswydd isel (islaw 50%), lled pwls yLaser QCWyn cyrraedd 50 us-50 ms, gan lenwi'r bwlch rhwng laser ffibr parhaus lefel cilowat a laser pwls Q-switched; Gall pŵer brig laser ffibr cwasi parhaus gyrraedd 10 gwaith y pŵer cyfartalog o dan weithrediad modd parhaus. Yn gyffredinol, mae gan laserau QCW ddau ddull, un yw weldio parhaus ar bŵer isel, a'r llall yw 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 ystod fach iawn;

Laser Parhaus (CW): Dyma'r laser a ddefnyddir amlaf, a'r rhan fwyaf o'r laserau a welir ar y farchnad yw laserau CW sy'n allbynnu laser yn barhaus ar gyfer prosesu weldio. Rhennir laserau ffibr yn laserau un modd ac aml-fodd yn ôl gwahanol ddiamedrau craidd ac ansawdd trawst, a gellir eu haddasu i wahanol senarios cymhwysiad.