Princípio da geração de laser

Por que precisamos conhecer o princípio dos lasers?

Conhecer as diferenças entre lasers semicondutores comuns, fibras, discos elaser YAGTambém pode ajudar a obter uma melhor compreensão e a participar em mais discussões durante o processo de seleção.

O artigo foca-se principalmente na divulgação científica: 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 pela interação entre luz e matéria, conhecida como amplificação de radiação estimulada; compreender a amplificação de radiação estimulada requer a compreensão dos conceitos de Einstein de emissão espontânea, absorção estimulada e radiação estimulada, bem como alguns fundamentos teóricos necessários.

Fundamento teórico 1: Modelo de Bohr

O modelo de Bohr fornece principalmente a estrutura interna dos átomos, facilitando a compreensão de como os lasers se formam. Um átomo é composto por um núcleo e elétrons ao redor do núcleo, e os orbitais dos elétrons não são arbitrários. Os elétrons possuem apenas certos orbitais, dentre os quais o orbital mais interno é chamado de estado fundamental; quando um elétron está no estado fundamental, sua energia é a mais baixa. Quando um elétron salta de um orbital, ele é chamado de primeiro estado excitado, e a energia do primeiro estado excitado será maior que a do estado fundamental; outro orbital é chamado de segundo estado excitado.

A razão pela qual o laser pode ocorrer é porque os elétrons se movem em diferentes órbitas neste modelo. Se os elétrons absorvem energia, eles podem passar do estado fundamental para um estado excitado; se um elétron retorna do estado excitado para o estado fundamental, ele libera energia, que geralmente é liberada na forma de um laser.

Fundamento Teórico 2: A 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 da matéria é essencialmente o resultado da interação entre o campo de radiação e as partículas que compõem a matéria, e sua essência fundamental é a transição de partículas entre diferentes níveis de energia. Existem três processos distintos na interação entre luz e matéria: emissão espontânea, emissão estimulada e absorção estimulada. Para um sistema contendo um grande número de partículas, esses três processos sempre coexistem e estão intimamente relacionados.

Emissão espontânea:

Conforme ilustrado 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 hv, sendo hv = E2 - E1; esse processo de transição espontânea e independente é denominado transição espontânea, e as ondas de luz emitidas por transições espontâneas são chamadas de radiação espontânea.

Características da emissão espontânea: Cada fóton é independente, com direções e fases diferentes, e o tempo de ocorrência também é aleatório. Pertence à luz incoerente e caótica, que não é a luz requerida pelo laser. Portanto, o processo de geração de laser precisa reduzir esse tipo de luz espúria. Essa é também uma das razões pelas quais o comprimento de onda de vários lasers apresenta luz espúria. Se bem controlada, a proporção de emissão espontânea no laser pode ser ignorada. Quanto mais puro o laser, como o de 1060 nm, que é totalmente de 1060 nm, mais estável será a taxa de absorção e a potência.

Absorção estimulada:

Elétrons em níveis de baixa energia (orbitais de baixa energia), após absorverem fótons, transitam para níveis de energia mais altos (orbitais de alta energia), e esse processo é chamado de absorção estimulada. A absorção estimulada é crucial e um dos principais processos de bombeamento. A fonte de bombeamento do laser fornece energia fotônica para fazer com que as partículas no meio ativo transitem para níveis de energia mais altos e aguardem a radiação estimulada, que então emite 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 de alta energia passa para a órbita de baixa energia). Ao mesmo tempo, ele emite um fóton exatamente igual ao fóton externo. Esse processo não absorve a luz de excitação original, portanto haverá dois fótons idênticos, o que pode ser entendido como o elétron emitindo o fóton previamente absorvido. Esse processo de luminescência é chamado de radiação estimulada, que é o processo inverso da absorção estimulada.

Após a compreensão da teoria, construir um laser é bastante simples, como ilustrado na figura acima: em condições normais de estabilidade do material, a grande maioria dos elétrons encontra-se no estado fundamental, e o laser depende da radiação estimulada. Portanto, a estrutura do laser consiste em permitir que a absorção estimulada ocorra inicialmente, elevando os elétrons a um nível de alta energia, e então fornecer uma excitação que faça com que um grande número de elétrons em alto nível de energia sofra radiação estimulada, liberando fótons. A partir disso, o laser pode ser gerado. A seguir, apresentaremos a estrutura do laser.

Estrutura do laser:

Associe a estrutura do laser às condições de geração do laser mencionadas anteriormente, uma a uma:

Condição de ocorrência e estrutura correspondente:

1. Existe um meio de ganho que proporciona 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 (principalmente capaz de bombear elétrons para orbitais de alta energia e existir por um certo período de tempo, e então liberar fótons de uma só vez através da radiação estimulada);

2. Existe uma fonte de excitação externa (fonte de bombeamento) 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 em lasers YAG;

3. Existe uma cavidade ressonante que permite a oscilação do laser, aumentando o comprimento de trabalho do material de trabalho do laser, filtrando o modo de onda da luz, controlando a direção de propagação do feixe e amplificando seletivamente a frequência da radiação estimulada para melhorar a monocromaticidade (garantindo que o laser seja emitido com uma determinada energia).

A estrutura correspondente é mostrada na figura acima, que representa a estrutura simplificada de um laser YAG. Outras estruturas podem ser mais complexas, mas a essência é esta. O processo de geração do laser é ilustrado na figura:

Classificação de lasers: geralmente classificados pelo meio de ganho ou pela forma de energia do laser.

Obtenha classificação média:

laser de dióxido de carbonoO meio ativo do laser de dióxido de carbono é o hélio eLaser de CO2,Com um comprimento de onda de laser de 10,6 µm, foi um dos primeiros produtos a laser a serem lançados. A soldagem a laser inicial era baseada principalmente em laser de dióxido de carbono, atualmente usado principalmente para soldar e cortar materiais não metálicos (tecidos, plásticos, madeira, etc.). Além disso, também é usado em máquinas de litografia. O laser de dióxido de carbono não pode ser transmitido por fibras ópticas e viaja por caminhos ópticos espaciais. Os primeiros lasers de dióxido de carbono foram relativamente bem-sucedidos e muitos equipamentos de corte foram utilizados;

Laser YAG (granada de ítrio e alumínio): Cristais de YAG dopados com íons metálicos de neodímio (Nd) ou ítrio (Yb) são usados ​​como meio ativo do laser, com um comprimento de onda de emissão de 1,06 µm. O laser YAG pode emitir pulsos de maior potência, mas a potência média é baixa, podendo a potência de pico atingir 15 vezes a potência média. Se for usado principalmente como laser de pulsos, a emissão contínua não pode ser alcançada; porém, pode ser transmitido por fibras ópticas e, ao mesmo tempo, a taxa de absorção de materiais metálicos aumenta, o que permite sua aplicação em materiais de alta refletividade, inicialmente no setor de eletrônicos de consumo.

Laser de fibra: O padrão atual no mercado utiliza fibra dopada com itérbio como meio ativo, com um comprimento de onda de 1060 nm. Ele se divide em lasers de fibra e lasers de disco, de acordo com o formato do meio ativo; o laser de fibra óptica é representado pelo IPG (Integrated Power Group), enquanto o laser de disco é representado pelo Tongkuai (Laser de Tongkuai).

Laser semicondutor: O meio ativo é uma junção PN semicondutora, e o comprimento de onda do laser semicondutor situa-se principalmente em 976 nm. Atualmente, os lasers semicondutores de infravermelho próximo são utilizados principalmente para revestimento, com pontos de luz acima de 600 µm. A Laserline é uma empresa representativa no setor de lasers semicondutores.

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

Laser pulsado: nanossegundos, picossegundos, femtosegundos, este laser pulsado de alta frequência (ns, largura de pulso) geralmente consegue atingir alta energia de pico e processamento de alta frequência (MHz), sendo usado principalmente para processar materiais finos de cobre e alumínio, bem como para limpeza. Ao utilizar alta energia de pico, ele pode fundir rapidamente o material base, com baixo tempo de ação e pequena zona afetada pelo calor. Apresenta vantagens no processamento de materiais ultrafinos (abaixo de 0,5 mm);

Laser quase contínuo (QCW): Devido à alta taxa de repetição e ao baixo ciclo de trabalho (abaixo de 50%), a largura do pulso deLaser QCWAtinge 50 µs a 50 ms, preenchendo a lacuna entre o laser de fibra contínuo de nível 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 no modo contínuo. Os lasers QCW geralmente possuem dois modos: um para soldagem contínua em baixa potência e outro para soldagem a laser pulsado com uma potência de pico 10 vezes maior que a potência média, o que permite soldar materiais mais espessos e gerar maior calor, controlando a temperatura em uma faixa muito pequena.

Laser contínuo (CW): Este é o mais utilizado, e a maioria dos lasers disponíveis no mercado são lasers CW que emitem laser continuamente para processos de soldagem. Os lasers de fibra são divididos em lasers monomodo e multimodo, de acordo com os diferentes diâmetros do núcleo e qualidades do feixe, podendo ser adaptados a diferentes cenários de aplicação.