Principio de generación láser

¿Por qué necesitamos conocer el principio de los láseres?

Conocer las diferencias entre láseres, fibras, discos y dispositivos semiconductores comunes.láser YAGTambién puede ayudar a obtener una mejor comprensión y participar en más debates durante el proceso de selección.

El artículo se centra principalmente en la ciencia popular: una breve introducción al principio de generación de láser, la estructura principal de los láseres y varios tipos comunes de láseres.

En primer lugar, el principio de generación de láser.

El láser se genera mediante la interacción entre la luz y la materia, conocida como amplificación de radiación estimulada; Comprender la amplificación de la radiación estimulada requiere comprender los conceptos de Einstein de emisión espontánea, absorción estimulada y radiación estimulada, así como algunos fundamentos teóricos necesarios.

Base Teórica 1: Modelo de Bohr

El modelo de Bohr proporciona principalmente la estructura interna de los átomos, lo que facilita la comprensión de cómo se producen los láseres. Un átomo está compuesto por un núcleo y electrones fuera del núcleo, y los orbitales de los electrones no son arbitrarios. Los electrones sólo tienen ciertos orbitales, entre los cuales el orbital más interno se llama estado fundamental; Si un electrón está en el estado fundamental, su energía es la más baja. Si un electrón salta fuera de una órbita, se denomina primer estado excitado y la energía del primer estado excitado será mayor que la del estado fundamental; Otra órbita se llama segundo estado excitado;

La razón por la que puede ocurrir el láser es porque los electrones se moverán en diferentes órbitas en este modelo. Si los electrones absorben energía, pueden pasar del estado fundamental al estado excitado; Si un electrón regresa del estado excitado al estado fundamental, liberará energía, que a menudo se libera en forma de láser.

Base teórica 2: Teoría de la radiación estimulada de Einstein

En 1917, Einstein propuso la teoría de la radiación estimulada, que es la base teórica de los láseres y de su producción: la absorción o emisión de materia es esencialmente el resultado de la interacción entre el campo de radiación y las partículas que componen la materia, y su núcleo. La esencia es la transición de partículas entre diferentes niveles de energía. Hay tres procesos diferentes en la interacción entre la luz y la materia: emisión espontánea, emisión estimulada y absorción estimulada. Para un sistema que contiene una gran cantidad de partículas, estos tres procesos siempre coexisten y están estrechamente relacionados.

Emisión espontánea:

Como se muestra en la figura: un electrón en el nivel de alta energía E2 pasa espontáneamente al nivel de baja energía E1 y emite un fotón con una energía de hv, y hv=E2-E1; Este proceso de transición espontáneo y no relacionado se llama transición espontánea, y las ondas de luz emitidas por las transiciones espontáneas se llaman radiación espontánea.

Las características de la emisión espontánea: cada fotón es independiente, con diferentes direcciones y fases, y el tiempo de aparición también es aleatorio. Pertenece a la luz incoherente y caótica, que no es la luz que requiere el láser. Por lo tanto, el proceso de generación de láser debe reducir este tipo de luz parásita. Esta es también una de las razones por las que la longitud de onda de varios láseres produce luz parásita. Si se controla bien, se puede ignorar la proporción de emisión espontánea en el láser. Cuanto más puro es el láser, como el de 1060 nm, todo es de 1060 nm. Este tipo de láser tiene una tasa de absorción y una potencia relativamente estables.

Absorción estimulada:

Los electrones en niveles de energía bajos (orbitales bajos), después de absorber fotones, pasan a niveles de energía más altos (orbitales altos), y este proceso se llama absorción estimulada. La absorción estimulada es crucial y uno de los procesos de bombeo clave. La fuente de bombeo del láser proporciona energía de fotones para hacer que las partículas en el medio de ganancia hagan la transición y esperen la radiación estimulada a niveles de energía más altos, emitiendo el láser.

Radiación estimulada:

Cuando es irradiado por la luz de energía externa (hv=E2-E1), el electrón en el nivel de energía alto es excitado por el fotón externo y salta al nivel de energía bajo (la órbita alta corre hacia la órbita baja). Al mismo tiempo, emite un fotón que es exactamente igual al fotón externo. Este proceso no absorbe la luz de excitación original, por lo que habrá dos fotones idénticos, lo que puede entenderse como que el electrón escupe el fotón previamente absorbido. Este proceso de luminiscencia se llama radiación estimulada, que es el proceso inverso de la absorción estimulada.

Una vez que la teoría está clara, es muy sencillo construir un láser, como se muestra en la figura anterior: en condiciones normales de estabilidad material, la gran mayoría de los electrones están en el estado fundamental, los electrones en el estado fundamental y el láser depende de radiación estimulada. Por lo tanto, la estructura del láser es permitir que ocurra primero la absorción estimulada, llevando los electrones al nivel de alta energía y luego proporcionando una excitación para causar que una gran cantidad de electrones de alto nivel de energía experimenten radiación estimulada, liberando fotones. Se puede generar láser. A continuación, presentaremos la estructura del láser.

Estructura láser:

Haga coincidir la estructura del láser con las condiciones de generación del láser mencionadas anteriormente una por una:

Condición de ocurrencia y estructura correspondiente:

1. Hay un medio de ganancia que proporciona un efecto de amplificación como medio de trabajo del láser, y sus partículas activadas tienen una estructura de nivel de energía adecuada para generar radiación estimulada (principalmente capaz de bombear electrones a orbitales de alta energía y existir durante un cierto período de tiempo). , y luego libera fotones de una vez mediante radiación estimulada);

2. Hay una fuente de excitación externa (fuente de bomba) que puede bombear electrones desde el nivel inferior al nivel superior, provocando una inversión del número de partículas entre los niveles superior e inferior del láser (es decir, cuando hay más partículas de alta energía que partículas de baja energía), como la lámpara de xenón de los láseres YAG;

3. Hay una cavidad resonante que puede lograr la oscilación del láser, aumentar la longitud de trabajo del material de trabajo del láser, filtrar el modo de onda de luz, controlar la dirección de propagación del haz, amplificar selectivamente la frecuencia de radiación estimulada para mejorar la monocromaticidad (asegurando que el El láser se emite con una determinada energía).

La estructura correspondiente se muestra en la figura anterior, que es una estructura simple de un láser YAG. Otras estructuras pueden ser más complejas, pero el núcleo es este. El proceso de generación de láser se muestra en la figura:

Clasificación del láser: generalmente clasificado por medio de ganancia o por forma de energía láser.

Gana clasificación media:

Láser de dióxido de carbono: El medio de ganancia del láser de dióxido de carbono es helio yláser de CO2,con una longitud de onda láser de 10,6 um, que es uno de los primeros productos láser que se lanzó. Las primeras soldaduras láser se basaban principalmente en el láser de dióxido de carbono, que actualmente se utiliza principalmente para soldar y cortar materiales no metálicos (telas, plásticos, madera, etc.). Además, también se utiliza en máquinas de litografía. El láser de dióxido de carbono no se puede transmitir a través de fibras ópticas y viaja a través de caminos ópticos espaciales. El primer Tongkuai se hizo relativamente bien y se utilizó una gran cantidad de equipos de corte;

Láser YAG (granate de itrio y aluminio): como medio de ganancia del láser se utilizan cristales de YAG dopados con iones metálicos de neodimio (Nd) o itrio (Yb), con una longitud de onda de emisión de 1,06 um. El láser YAG puede generar pulsos más altos, pero la potencia promedio es baja y la potencia máxima puede alcanzar 15 veces la potencia promedio. Si se trata principalmente de un láser de pulso, no se puede lograr una salida continua; Pero se puede transmitir a través de fibras ópticas y, al mismo tiempo, aumenta la tasa de absorción de los materiales metálicos, y se está empezando a aplicar en materiales de alta reflectividad, aplicándose por primera vez en el campo 3C;

Láser de fibra: la corriente principal actual en el mercado utiliza fibra dopada con iterbio como medio de ganancia, con una longitud de onda de 1060 nm. Además, se divide en láseres de fibra y de disco según la forma del medio; La fibra óptica representa IPG, mientras que el disco representa Tongkuai.

Láser semiconductor: el medio de ganancia es una unión PN semiconductora y la longitud de onda del láser semiconductor es principalmente de 976 nm. Actualmente, los láseres semiconductores del infrarrojo cercano se utilizan principalmente para revestimientos, con puntos de luz superiores a 600 um. Laserline es una empresa representativa de láseres semiconductores.

Clasificados por la forma de acción de la energía: Láser pulsado (PULSE), láser cuasi continuo (QCW), láser continuo (CW)

Láser de pulso: nanosegundo, picosegundo, femtosegundo, este láser de pulso de alta frecuencia (ns, ancho de pulso) a menudo puede lograr un alto pico de energía, procesamiento de alta frecuencia (MHZ), utilizado para procesar materiales finos diferentes de cobre y aluminio, así como para limpiar principalmente . Al utilizar energía máxima alta, puede derretir rápidamente el material base, con un tiempo de acción bajo y una pequeña zona afectada por el calor. Tiene ventajas en el procesamiento de materiales ultrafinos (por debajo de 0,5 mm);

Láser cuasi continuo (QCW): debido a la alta tasa de repetición y el bajo ciclo de trabajo (por debajo del 50%), el ancho del pulso deláser QCWalcanza 50 us-50 ms, llenando el espacio entre el láser de fibra continua de nivel de kilovatios y el láser de pulso conmutado Q; La potencia máxima de un láser de fibra casi continuo puede alcanzar 10 veces la potencia promedio en funcionamiento en modo continuo. Los láseres QCW generalmente tienen dos modos, uno es soldadura continua a baja potencia y el otro es soldadura por láser pulsado con una potencia máxima de 10 veces la potencia promedio, lo que puede lograr materiales más gruesos y más soldadura por calor, al mismo tiempo que controla el calor dentro de un rango muy pequeño;

Láser continuo (CW): este es el más utilizado y la mayoría de los láseres que se ven en el mercado son láseres CW que emiten láser continuamente para el procesamiento de soldadura. Los láseres de fibra se dividen en láseres monomodo y multimodo según los diferentes diámetros del núcleo y calidades del haz, y pueden adaptarse a diferentes escenarios de aplicación.