Princípio da geração de laser

Por que precisamos conhecer o princípio dos lasers?

Conhecendo as diferenças entre lasers semicondutores comuns, fibras, discos eLaser YAGtambém pode ajudar a obter uma melhor compreensão e participar de mais discussões durante o processo de seleção.

O artigo concentra-se principalmente na ciência popular: uma breve introdução ao princípio da geração de laser, a estrutura principal dos lasers e vários tipos comuns de lasers.

Em primeiro lugar, o princípio da geração de laser

O laser é gerado através da interação entre luz e matéria, conhecida como amplificação de radiação estimulada; Compreender a amplificação da radiação estimulada requer a compreensão dos conceitos de Einstein de emissão espontânea, absorção estimulada e radiação estimulada, bem como alguns fundamentos teóricos necessários.

Base Teórica 1: Modelo Bohr

O modelo de Bohr fornece principalmente a estrutura interna dos átomos, facilitando a compreensão de como ocorrem os lasers. Um átomo é composto de um núcleo e elétrons fora do núcleo, e os orbitais dos elétrons não são arbitrários. Os elétrons possuem apenas certos orbitais, entre os quais o orbital mais interno é chamado de estado fundamental; Se um elétron estiver no estado fundamental, sua energia será a mais baixa. Se um elétron salta de uma órbita, ele é chamado de primeiro estado excitado, e a energia do primeiro estado excitado será maior que a do estado fundamental; Outra órbita é chamada de segundo estado excitado;

A razão pela qual o laser pode ocorrer é porque os elétrons se moverão em órbitas diferentes neste modelo. Se os elétrons absorverem energia, eles poderão passar do estado fundamental para o estado excitado; Se um elétron retornar do estado excitado para o estado fundamental, ele liberará energia, que geralmente é liberada na forma de um laser.

Base Teórica 2: Teoria da Radiação Estimulada de Einstein

Em 1917, Einstein propôs a teoria da radiação estimulada, que é a base teórica dos lasers e da produção de lasers: a absorção ou emissão de matéria é essencialmente o resultado da interação entre o campo de radiação e as partículas que constituem a matéria, e seu núcleo. essência é a transição de partículas entre diferentes níveis de energia. Existem três processos diferentes na interação entre luz e matéria: emissão espontânea, emissão estimulada e absorção estimulada. Para um sistema contendo um grande número de partículas, estes três processos sempre coexistem e estão intimamente relacionados.

Emissão espontânea:

Conforme mostrado na figura: um elétron no nível de alta energia E2 transita espontaneamente para o nível de baixa energia E1 e emite um fóton com energia de hv, e hv=E2-E1; Este processo de transição espontâneo e não relacionado é chamado de transição espontânea, e as ondas de luz emitidas por transições espontâneas são chamadas de radiação espontânea.

As características da emissão espontânea: Cada fóton é independente, com diferentes direções e fases, e o tempo de ocorrência também é aleatório. Pertence à luz incoerente e caótica, que não é a luz exigida pelo laser. Portanto, o processo de geração do laser precisa reduzir esse tipo de luz difusa. Esta também é uma das razões pelas quais o comprimento de onda de vários lasers apresenta luz dispersa. Se bem controlada, a proporção de emissão espontânea no laser pode ser ignorada. Quanto mais puro o laser, como 1060 nm, é todo 1060 nm. Esse tipo de laser tem taxa de absorção e potência relativamente estáveis.

Absorção estimulada:

Os elétrons em níveis de energia baixos (orbitais baixos), após absorverem fótons, passam para níveis de energia mais altos (orbitais altos), e esse processo é chamado de absorção estimulada. A absorção estimulada é crucial e um dos principais processos de bombeamento. A fonte da bomba do laser fornece energia de fótons para fazer com que as partículas no meio de ganho façam a transição e aguardem a radiação estimulada em níveis de energia mais elevados, emitindo o laser.

Radiação estimulada:

Quando irradiado pela luz de energia externa (hv=E2-E1), o elétron no nível de alta energia é excitado pelo fóton externo e salta para o nível de baixa energia (a órbita alta corre para a órbita baixa). Ao mesmo tempo, emite um fóton exatamente igual ao fóton externo. Este processo não absorve a luz de excitação original, portanto haverá dois fótons idênticos, o que pode ser entendido como o elétron cospe o fóton previamente absorvido. Esse processo de luminescência é chamado de radiação estimulada, que é o processo reverso da absorção estimulada.

Depois que a teoria estiver clara, é muito simples construir um laser, conforme mostrado na figura acima: sob condições normais de estabilidade do material, a grande maioria dos elétrons está no estado fundamental, os elétrons no estado fundamental e o laser depende de radiação estimulada. Portanto, a estrutura do laser é permitir que a absorção estimulada ocorra primeiro, levando os elétrons ao alto nível de energia, e então fornecendo uma excitação para fazer com que um grande número de elétrons de alto nível de energia sofram radiação estimulada, liberando fótons. laser pode ser gerado. A seguir, apresentaremos a estrutura do laser.

Estrutura do laser:

Combine a estrutura do laser com as condições de geração do laser mencionadas anteriormente, uma por uma:

Condição de ocorrência e estrutura correspondente:

1. Existe um meio de ganho que fornece efeito de amplificação como meio de trabalho do laser, e suas partículas ativadas possuem uma estrutura de nível de energia adequada para gerar radiação estimulada (capaz principalmente de bombear elétrons para orbitais de alta energia e existir por um determinado período de tempo , e então libera fótons de uma só vez por meio de radiação estimulada);

2. Existe uma fonte de excitação externa (fonte de bomba) que pode bombear elétrons do nível inferior para o nível superior, causando inversão do número de partículas entre os níveis superior e inferior do laser (ou seja, quando há mais partículas de alta energia do que partículas de baixa energia), como a lâmpada de xenônio nos lasers YAG;

3. Existe uma cavidade ressonante que pode atingir a oscilação do laser, aumentar o comprimento de trabalho do material de trabalho do laser, filtrar o modo de onda de luz, controlar a direção de propagação do feixe, amplificar seletivamente a frequência de radiação estimulada para melhorar a monocromaticidade (garantindo que o o laser é emitido com uma certa energia).

A estrutura correspondente é mostrada na figura acima, que é uma estrutura simples de um laser YAG. Outras estruturas podem ser mais complexas, mas o cerne é este. O processo de geração do laser é mostrado na figura:

Classificação do laser: geralmente classificado por meio de ganho ou por forma de energia do laser

Ganhe classificação média:

Laser de dióxido de carbono: O meio de ganho do laser de dióxido de carbono é hélio eLaser de CO2,com comprimento de onda de laser de 10,6um, que é um dos primeiros produtos a laser a ser lançado. A soldagem a laser inicial baseava-se principalmente no laser de dióxido de carbono, que atualmente é usado principalmente para soldagem e corte de materiais não metálicos (tecidos, plásticos, madeira, etc.). Além disso, também é utilizado em máquinas de litografia. O laser de dióxido de carbono não pode ser transmitido através de fibras ópticas e viaja através de caminhos ópticos espaciais. O primeiro Tongkuai foi feito relativamente bem e muitos equipamentos de corte foram usados;

Laser YAG (granada de ítrio e alumínio): cristais YAG dopados com íons metálicos de neodímio (Nd) ou ítrio (Yb) são usados ​​​​como meio de ganho do laser, com comprimento de onda de emissão de 1,06um. O laser YAG pode produzir pulsos mais altos, mas a potência média é baixa e a potência de pico pode atingir 15 vezes a potência média. Se for principalmente um laser pulsado, a saída contínua não poderá ser alcançada; Mas pode ser transmitido através de fibras ópticas e, ao mesmo tempo, a taxa de absorção dos materiais metálicos aumenta, e está começando a ser aplicado em materiais de alta refletividade, aplicados pela primeira vez no campo 3C;

Laser de fibra: A corrente principal do mercado usa fibra dopada com itérbio como meio de ganho, com comprimento de onda de 1060 nm. É ainda dividido em lasers de fibra e disco com base no formato do meio; A fibra óptica representa IPG, enquanto o disco representa Tongkuai.

Laser semicondutor: O meio de ganho é uma junção PN semicondutora e o comprimento de onda do laser semicondutor é principalmente de 976 nm. Atualmente, os lasers semicondutores infravermelhos próximos são usados ​​​​principalmente para revestimento, com pontos de luz acima de 600um. Laserline é uma empresa representativa de lasers semicondutores.

Classificados pela forma de ação da energia: Laser pulsado (PULSE), laser quase contínuo (QCW), laser contínuo (CW)

Laser de pulso: nanossegundo, picossegundo, femtosegundo, este laser de pulso de alta frequência (ns, largura de pulso) muitas vezes pode atingir alto pico de energia, processamento de alta frequência (MHZ), usado para processar materiais diferentes de cobre fino e alumínio, bem como limpar principalmente . Ao utilizar alto pico de energia, pode derreter rapidamente o material de base, com baixo tempo de ação e pequena zona afetada pelo calor. Possui vantagens no processamento de materiais ultrafinos (abaixo de 0,5mm);

Laser quase contínuo (QCW): Devido à alta taxa de repetição e ao baixo ciclo de trabalho (abaixo de 50%), a largura de pulso doLaser QCWatinge 50 us-50 ms, preenchendo a lacuna entre o laser de fibra contínua de nível de quilowatt e o laser de pulso Q-switched; A potência de pico de um laser de fibra quase contínuo pode atingir 10 vezes a potência média em operação em modo contínuo. Os lasers QCW geralmente têm dois modos, um é a soldagem contínua em baixa potência e o outro é a soldagem a laser pulsada com uma potência de pico de 10 vezes a potência média, que pode atingir materiais mais espessos e mais soldagem por calor, ao mesmo tempo que controla o calor dentro de um alcance muito pequeno;

Laser Contínuo (CW): Este é o mais comumente usado, e a maioria dos lasers vistos no mercado são lasers CW que produzem laser continuamente para processamento de soldagem. Os lasers de fibra são divididos em lasers monomodo e multimodo de acordo com diferentes diâmetros de núcleo e qualidades de feixe, e podem ser adaptados a diferentes cenários de aplicação.