Lazer öndürmek prinsipi

Näme üçin lazerleriň iş prinsipini bilmelidiris?

Umumy ýarymgeçiriji lazerleriň, süýümleriň, diskleriň we beýlekileriň arasyndaky tapawutlary bilmekYAG lazerişeýle hem saýlama prosesinde has gowy düşünmäge we has köp pikir alyşmalara gatnaşmaga kömek edip biler.

Makalada esasan meşhur ylmyň ugurlaryna üns berilýär: lazer öndürmek prinsipine gysgaça giriş, lazerleriň esasy gurluşy we lazerleriň birnäçe umumy görnüşleri.

Birinjiden, lazer öndürmek prinsipi

Lazer ýagtylyk bilen maddanyň arasyndaky özara täsir arkaly döredilýär, bu bolsa höweslendirilen radiasiýanyň güýçlendirilmegi diýlip atlandyrylýar; höweslendirilen radiasiýanyň güýçlendirilmegini düşünmek üçin Eýnşteýniň öz-özünden şöhlelenme, höweslendirilen siňdirilme we höweslendirilen radiasiýa düşünjelerini, şeýle hem käbir zerur nazary esaslary düşünmek gerek.

Nazaryýet esaslary 1: Bor modeli

Bor modeli, esasan, atomlaryň içki gurluşyny üpjün edýär, bu bolsa lazerleriň nähili ýüze çykýandygyny düşünmegi aňsatlaşdyrýar. Atom ýadrodan we ýadronyň daşyndaky elektronlardan ybarat we elektronlaryň orbitallary tötänleýin däl. Elektronlaryň diňe belli bir orbitallary bar, olaryň arasynda iň içki orbital esasy ýagdaý diýilýär; Eger elektron esasy ýagdaýda bolsa, onuň energiýasy iň pesdir. Eger elektron orbitadan böküp çyksa, ol birinji gyjyndyrylan ýagdaý diýilýär we birinji gyjyndyrylan ýagdaýyň energiýasy esasy ýagdaýdan ýokary bolar; Başga bir orbita ikinji gyjyndyrylan ýagdaý diýilýär;

Lazeriň ýüze çykmagynyň sebäbi, bu modelde elektronlaryň dürli orbitalarda hereket etmegidir. Eger elektronlar energiýany siňdirse, olar esasy ýagdaýdan gyjyndyrylan ýagdaýa geçip bilerler; Eger elektron gyjyndyrylan ýagdaýdan esasy ýagdaýa gaýdyp gelse, ol energiýany bölüp çykarar, ol bolsa köplenç lazer görnüşinde bölünip çykýar.

Teoriýa esaslary 2: Eýnşteýniň höweslendirilen radiasiýa teoriýasy

1917-nji ýylda Eýnşteýn lazerleriň we lazer önümçiliginiň nazaryýet esasy bolan höweslendirilen radiasiýa teoriýasyny teklip etdi: maddanyň siňdirilmegi ýa-da emissiýasy, esasan, radiasiýa meýdany bilen maddany düzýän bölejikleriň arasyndaky özara täsiriň netijesidir we onuň esasy mazmuny bölejikleriň dürli energiýa derejeleriniň arasynda geçmegidir. Yşyk bilen maddanyň arasyndaky özara täsirde üç dürli proses bar: öz-özünden emissiýa, höweslendirilen emissiýa we höweslendirilen siňdiriş. Köp sanly bölejikleri öz içine alýan ulgam üçin bu üç proses hemişe bile ýaşaýar we ýakyn baglanyşyklydyr.

Öz-özünden çykýan emissiýa:

Suratda görkezilişi ýaly: ýokary energiýaly E2 derejesindäki elektron öz-özünden pes energiýaly E1 derejesine geçýär we hv energiýaly fotony çykarýar we hv=E2-E1; Bu öz-özünden we baglanyşykly däl geçiş prosesi öz-özünden geçiş diýlip atlandyrylýar we öz-özünden geçişler bilen çykýan ýagtylyk tolkunlaryna öz-özünden şöhlelenme diýilýär.

Öz-özünden döreýän şöhlelenme häsiýetnamalary: Her bir foton garaşsyz, dürli ugurlara we fazalara eýedir we ýüze çykma wagty hem tötänleýindir. Ol lazer üçin zerur bolan şöhle bolmadyk, gabat gelmeýän we haosly ýagtylyga degişlidir. Şonuň üçin lazer döretmek prosesi bu görnüşli daşary ýagtylygy azaltmaly. Bu hem dürli lazerleriň tolkun uzynlygynda daşary ýagtylygyň bolmagynyň sebäpleriniň biridir. Eger gowy dolandyrylsa, lazerdäki öz-özünden döreýän şöhlelenme paýyny gözardy edip bolýar. Lazer näçe arassa bolsa, meselem, 1060 nm, ol hemmesi 1060 nm bolýar. Bu görnüşli lazer deňeşdirme boýunça durnukly siňdiriş tizligine we güýjüne eýedir.

Stimullaşdyrylan siňdiriş:

Pes energiýa derejelerinde (pes orbitallar) fotonlary siňdirenden soň, elektronlar ýokary energiýa derejelerine (ýokary orbitallar) geçýärler we bu proses stimullaşdyrylan siňdiriş diýlip atlandyrylýar. Stimullaşdyrylan siňdiriş örän möhümdir we esasy nasos prosesleriniň biridir. Lazeriň nasos çeşmesi güýçlendiriji gurşawdaky bölejikleriň geçmegine we ýokary energiýa derejelerinde stimullaşdyrylan şöhlelenmesini garaşmagyna sebäp bolmak üçin foton energiýasyny berýär we lazer şöhlesini çykarýar.

Stimulirlenen radiasiýa:

Daşarky energiýanyň şöhlesi (hv=E2-E1) bilen şöhlelendirilende, ýokary energiýa derejesindäki elektron daşarky foton tarapyndan gyjyndyrylýar we pes energiýa derejesine bökýär (ýokary orbita pes orbita geçýär). Şol bir wagtyň özünde, ol daşarky foton bilen doly deň bolan fotony çykarýar. Bu proses asyl gyjyndyryş şöhlesini siňdirmeýär, şonuň üçin iki sany birmeňzeş foton bolar, muny elektronyň öň siňdirilen fotony çykarýandygy bilen düşündirip bolýar. Bu lüminesensiýa prosesi gyjyndyrylan şöhlelenme diýlip atlandyrylýar, bu bolsa gyjyndyrylan siňdirilişiň ters prosesidir.

Teoriýa aýdyň bolandan soň, ýokardaky suratda görkezilişi ýaly, lazer gurmak örän ýönekeý: material durnuklylygynyň adaty şertlerinde elektronlaryň aglaba bölegi esasy ýagdaýda, elektronlar esasy ýagdaýda we lazer höweslendirilen radiasiýa baglydyr. Şonuň üçin lazeriň gurluşy ilki bilen höweslendirilen siňdirilişiň bolmagyna mümkinçilik bermek, elektronlary ýokary energiýa derejesine çykarmak, soňra bolsa köp sanly ýokary energiýa derejesindäki elektronlaryň höweslendirilen radiasiýa geçmegine sebäp bolýan gyjyndyryş üpjün etmek we fotonlary çykarmak üçin niýetlenendir. Mundan lazer öndürip bolýar. Soňra lazeriň gurluşyny tanyşdyrarys.

Lazer gurluşy:

Lazer gurluşyny öň agzalan lazer döretme şertleri bilen bir-bir deňeşdiriň:

Ýüze çykmak şerti we degişli gurluş:

1. Lazer işçi serişdesi hökmünde güýçlendirme täsirini üpjün edýän güýçlendirme serişdesi bar we onuň aktiwleşdirilen bölejikleri stimullaşdyrylan şöhlelenme döretmek üçin amatly energiýa derejesindäki gurluşa eýedir (esasan, elektronlary ýokary energiýaly orbitallara pompalap we belli bir wagt aralygynda ýaşap, soňra stimullaşdyrylan şöhlelenme arkaly bir demde fotonlary çykaryp bilýär);

2. YAG lazerlerindäki ksenon lampasy ýaly, elektronlary aşaky derejeden ýokarky derejä pompalap bilýän daşarky gyjyndyryjy çeşme (nasos çeşmesi) bar, bu bolsa lazeriň ýokarky we aşaky derejeleriniň arasynda bölejikleriň sanynyň tersine öwrülmegine sebäp bolýar (ýagny, ýokary energiýaly bölejikler pes energiýaly bölejiklerden has köp bolanda);

3. Lazer yrgyldamasyny gazanyp bilýän, lazer işçi materialynyň iş uzynlygyny artdyryp bilýän, ýagtylyk tolkunynyň režimini ekranlaşdyryp bilýän, şöhle ýaýrama ugruny dolandyryp bilýän, monohromatikligi gowulandyrmak üçin stimullaşdyrylan şöhlelenme ýygylygyny saýlama taýdan güýçlendirip bilýän (lazeriň belli bir energiýada çykarylmagyny üpjün edýän) rezonans boşlugy bar.

Degişli gurluş ýokardaky suratda görkezilen, ol YAG lazeriniň ýönekeý gurluşydyr. Beýleki gurluşlar has çylşyrymly bolup biler, ýöne esasy zat şudur. Lazer öndürmek prosesi suratda görkezilen:

Lazer klassifikasiýasy: umuman, güýçlendirme gurşawy ýa-da lazer energiýasy görnüşi boýunça klassifikasiýa edilýär

Orta derejeli klassifikasiýany gazanyň:

Uglerod dioksid lazeriKarbon dioksid lazeriniň güýçlendiriji gurşawy geliý weCO2 lazeri,10.6 um lazer tolkun uzynlygy bilen, bu bolsa ilkinji lazer önümleriniň biri. Ilkinji lazer kebşirlemesi esasan uglerod dioksid lazerine esaslanýar, ol häzirki wagtda esasan metal däl materiallary (mata, plastmassa, agaç we ş.m.) kebşirlemek we kesmek üçin ulanylýar. Mundan başga-da, ol litografiýa maşynlarynda hem ulanylýar. Uglerod dioksid lazeri optiki süýümler arkaly geçirilip bilinmeýär we giňişlik optiki ýollardan geçýär. Ilkinji Tongkuaý deňeşdirme boýunça gowy ýerine ýetirildi we köp kesiji enjamlar ulanyldy;

YAG (ittriý alýumin granat) lazeri: lazer güýçlendiriji serişde hökmünde neodim (Nd) ýa-da ittriý (Yb) metal ionlary bilen lehimlenen YAG kristallary ulanylýar, olaryň emissiýa tolkun uzynlygy 1.06 um. YAG lazeri has ýokary impulslary çykaryp bilýär, ýöne ortaça güýç pes we iň ýokary güýç ortaça güýçden 15 esse köp bolup bilýär. Eger ol esasan impuls lazeri bolsa, üznüksiz çykyş gazanyp bolmaýar; ýöne ol optiki süýümler arkaly geçirilip bilner we şol bir wagtyň özünde metal materiallaryň siňdiriş tizligi ýokarlanýar we ol ilki 3C meýdanynda ulanylýan ýokary şöhlelendirijilikli materiallarda ulanylmaga başlaýar;

Süýümli lazer: Häzirki bazardaky esasy akym güýçlendiriji serişde hökmünde ytterbium bilen lehimlenen süýümi ulanýar, onuň tolkun uzynlygy 1060 nm. Ol gurşawyň görnüşine görä süýümli we diskli lazerlere bölünýär; süýümli optika IPG-ni, disk bolsa Tongkuai-ni aňladýar.

Ýarymgeçiriji lazer: Güýçlendiriji gurşaw ýarymgeçiriji PN birleşmesidir we ýarymgeçiriji lazeriň tolkun uzynlygy esasan 976 nm-dir. Häzirki wagtda ýarymgeçiriji golaý infragyzyl lazerler esasan örtük üçin ulanylýar, ýagtylyk nokatlary 600 mkm-den ýokary. Laserline ýarymgeçiriji lazerleriň wekilçilikli kärhanasydyr.

Energiýa täsiriniň görnüşi boýunça klassifikasiýa edilýär: Impuls lazeri (PULSE), ýarym üznüksiz lazer (QCW), üznüksiz lazer (CW)

Impuls lazeri: nanosekund, pikosekund, femtosekund, bu ýokary ýygylykly impuls lazeri (ns, impuls giňligi) köplenç ýokary pik energiýasyny, ýokary ýygylykly (MHZ) işleme gazanyp bilýär, inçe mis we alýuminiý dürli materiallary gaýtadan işlemekde, şeýle hem esasan arassalamakda ulanylýar. Ýokary pik energiýasyny ulanmak arkaly ol esasy materialy çalt eredip bilýär, az täsir wagty we kiçi ýylylyk täsir zolagy bilen. Onuň örän inçe materiallary (0,5 mm-den aşak) gaýtadan işlemekde artykmaçlyklary bar;

Kwazi üznüksiz lazer (QCW): Gaýtalanma tizliginiň ýokarylygy we iş sikliniň pesligi (50% -den aşak) sebäpli impuls giňligiQCW lazeri50 us-50 ms ýetýär, kilowatt derejeli üznüksiz süýümli lazer bilen Q-switch impulsly lazeriň arasyndaky boşlugy doldurýar; Ýarym üznüksiz süýümli lazeriň iň ýokary güýji üznüksiz režimde işleýän wagtynda ortaça güýjüň 10 essesine ýetip biler. QCW lazerleriniň adatça iki režimi bar, biri pes güýçde üznüksiz kebşirleme, beýlekisi bolsa ortaça güýjüň 10 esse ýokary güýji bolan impulsly lazer kebşirleme, bu bolsa galyň materiallary we has köp gyzgynlyk kebşirlemesini gazanyp biler, şol bir wagtyň özünde gyzgynlygy örän kiçi aralykda dolandyryp biler;

Üznüksiz lazer (ÜL): Bu iň köp ulanylýan lazerdir we bazarda görülýän lazerleriň köpüsi kebşirleme üçin üznüksiz lazer çykarýan ÜL lazerleridir. Süýümli lazerler dürli özen diametrlerine we şöhle häsiýetlerine görä bir re modeimli we köp re modeimli lazerlere bölünýär we dürli ulanylyş senariýalaryna uýgunlaşdyrylyp bilner.