Principio de generación láser

¿Por qué necesitamos conocer el principio de funcionamiento de los láseres?

Conocer las diferencias entre los láseres semiconductores comunes, las fibras, los discos yláser YAGTambién puede ayudar a comprender mejor y a participar en más debates durante el proceso de selección.

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

En primer lugar, el principio de generación láser.

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

Fundamento teórico 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 solo 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 de un orbital, se denomina primer estado excitado, y la energía del primer estado excitado será mayor que la del estado fundamental; otro orbital se denomina segundo estado excitado;

La razón por la que se produce el láser es que, en este modelo, los electrones se mueven en diferentes órbitas. Si un electrón absorbe energía, puede 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.

Fundamentos teóricos 2: La teoría de la radiación estimulada de Einstein

En 1917, Einstein propuso la teoría de la radiación estimulada, que constituye la base teórica de los láseres y su producción: la absorción o emisión de materia es esencialmente el resultado de la interacción entre el campo de radiación y las partículas que la componen, y su esencia radica en la transición de partículas entre diferentes niveles de energía. Existen tres procesos distintos en la interacción entre la luz y la materia: emisión espontánea, emisión estimulada y absorción estimulada. En un sistema con un gran número de partículas, estos tres procesos coexisten y están estrechamente relacionados.

Emisión espontánea:

Como se muestra en la figura: un electrón en el nivel de alta energía E2 transita espontáneamente al nivel de baja energía E1 y emite un fotón con una energía hv, donde hv = E2 - E1. Este proceso de transición espontánea e independiente se denomina transición espontánea, y las ondas de luz emitidas por las transiciones espontáneas se denominan radiación espontánea.

Características de la emisión espontánea: Cada fotón es independiente, con direcciones y fases diferentes, y su aparición es aleatoria. Se trata de luz incoherente y caótica, que no es la luz requerida por el láser. Por lo tanto, el proceso de generación del láser necesita reducir este tipo de luz parásita. Esta es también una de las razones por las que la longitud de onda de varios láseres presenta luz parásita. Si se controla adecuadamente, la proporción de emisión espontánea en el láser puede ignorarse. Cuanto más puro sea el láser, como uno de 1060 nm, donde toda la longitud de onda 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), tras absorber fotones, transitan a niveles de energía más altos (orbitales altos). Este proceso se denomina absorción estimulada. La absorción estimulada es crucial y constituye uno de los procesos de bombeo clave. La fuente de bombeo del láser proporciona energía fotónica para provocar la transición de las partículas en el medio de ganancia, que esperan la radiación estimulada en niveles de energía más altos para emitir el láser.

Radiación estimulada:

Cuando un electrón es irradiado por luz de energía externa (hv=E2-E1), se excita por un fotón externo y salta a un nivel de energía bajo (el electrón pasa de una órbita alta a una baja). Al mismo tiempo, emite un fotón idéntico al fotón externo. Este proceso no absorbe la luz de excitación original, por lo que se generan dos fotones idénticos. Esto puede entenderse como la reexpulsión del fotón previamente absorbido por el electrón. Este proceso de luminiscencia se denomina radiación estimulada, que es el proceso inverso a la absorción estimulada.

Una vez comprendida la teoría, es muy sencillo construir un láser, como se muestra en la figura anterior: en condiciones normales de estabilidad del material, la gran mayoría de los electrones se encuentran en el estado fundamental, y el láser depende de la radiación estimulada. Por lo tanto, la estructura del láser consiste en permitir primero la absorción estimulada, llevando a los electrones a un nivel de alta energía, y luego proporcionar una excitación que provoque que un gran número de electrones de alto nivel de energía experimenten radiación estimulada, liberando fotones. A partir de esto, se puede generar el láser. A continuación, presentaremos la estructura del láser.

Estructura del láser:

Relacione 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 liberar fotones en un solo aliento a través de la radiación estimulada);

2. Existe una fuente de excitación externa (fuente de bombeo) que puede bombear electrones del 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 en los láseres YAG;

3. Existe una cavidad resonante que permite la oscilación del láser, aumenta la longitud de trabajo del material de trabajo del láser, filtra el modo de onda de la luz, controla la dirección de propagación del haz y amplifica selectivamente la frecuencia de la radiación estimulada para mejorar la monocromaticidad (garantizando que el láser se emita 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 la base es esta. El proceso de generación del láser se muestra en la figura:

Clasificación de láseres: generalmente se clasifican por medio de ganancia o por forma de energía láser.

Obtener 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 µm, que es uno de los primeros productos láser en ser lanzados. La soldadura láser temprana se basaba principalmente en el láser de dióxido de carbono, que actualmente se utiliza principalmente para soldar y cortar materiales no metálicos (tejidos, plásticos, madera, etc.). Además, también se utiliza en máquinas de litografía. El láser de dióxido de carbono no puede transmitirse a través de fibras ópticas y viaja a través de trayectorias ópticas espaciales. El primer Tongkuai se hizo relativamente bien y se utilizó mucho equipo de corte;

Láser YAG (granate de itrio y aluminio): Los cristales YAG dopados con iones metálicos de neodimio (Nd) o itrio (Yb) se utilizan como medio de ganancia láser, con una longitud de onda de emisión de 1,06 µm. El láser YAG puede generar pulsos de mayor potencia, pero la potencia media es baja, y la potencia pico puede alcanzar 15 veces la potencia media. Si se trata principalmente de un láser de pulsos, no se puede lograr una salida continua; sin embargo, se puede transmitir a través de fibras ópticas y, al mismo tiempo, aumenta la tasa de absorción de los materiales metálicos, por lo que está comenzando a aplicarse en materiales de alta reflectividad, inicialmente en el campo de los semiconductores 3C.

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

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

Clasificados según la forma de acción energética: láser pulsado (PULSE), láser cuasicontinuo (QCW), láser continuo (CW)

Láser pulsado: nanosegundo, picosegundo, femtosegundo. Este láser pulsado de alta frecuencia (ns, ancho de pulso) puede alcanzar una alta energía pico y un procesamiento de alta frecuencia (MHz). Se utiliza principalmente para procesar materiales delgados de cobre y aluminio, así como para la limpieza. Al utilizar una alta energía pico, puede fundir rápidamente el material base, con un tiempo de acción bajo y una zona afectada por el calor pequeña. Tiene ventajas en el procesamiento de materiales ultrafinos (inferiores a 0,5 mm).

Láser cuasi continuo (QCW): Debido a la alta frecuencia de repetición y al bajo ciclo de trabajo (inferior al 50%), el ancho del pulso deláser QCWalcanza 50 µs-50 ms, llenando el vacío entre el láser de fibra continuo de nivel kilovatio y el láser de pulsos conmutados Q; la potencia pico de un láser de fibra cuasi continuo puede alcanzar 10 veces la potencia promedio en operación en modo continuo. Los láseres QCW generalmente tienen dos modos, uno es soldadura continua a baja potencia, y el otro es soldadura láser pulsada con una potencia pico de 10 veces la potencia promedio, que puede lograr materiales más gruesos y soldadura más caliente, al tiempo que controla el calor dentro de un rango muy pequeño;

Láser continuo (CW): Este es el tipo más común, y la mayoría de los láseres que se encuentran en el mercado son láseres CW que emiten láser de forma continua para procesos de soldadura. Los láseres de fibra se dividen en monomodo y multimodo según el diámetro del núcleo y la calidad del haz, y se adaptan a diferentes aplicaciones.