लेजर उत्पादन को सिद्धान्त

हामीले किन लेजरहरूको सिद्धान्त जान्न आवश्यक छ?

सामान्य अर्धचालक लेजरहरू, फाइबर, डिस्कहरू, र बीचको भिन्नताहरू जान्दैYAG लेजरअझ राम्रो समझ प्राप्त गर्न र चयन प्रक्रियाको क्रममा थप छलफलहरूमा संलग्न हुन मद्दत गर्न सक्छ।

लेख मुख्यतया लोकप्रिय विज्ञानमा केन्द्रित छ: लेजर उत्पादनको सिद्धान्तको संक्षिप्त परिचय, लेजरहरूको मुख्य संरचना, र धेरै सामान्य प्रकारका लेजरहरू।

पहिलो, लेजर उत्पादन को सिद्धान्त

लेजर प्रकाश र पदार्थ बीचको अन्तरक्रिया मार्फत उत्पन्न हुन्छ, उत्तेजित विकिरण प्रवर्धन भनिन्छ; उत्तेजित विकिरण प्रवर्धन बुझ्नको लागि आइन्स्टाइनको सहज उत्सर्जन, उत्तेजित अवशोषण, र उत्तेजित विकिरण, साथै केही आवश्यक सैद्धान्तिक आधारहरू बुझ्न आवश्यक छ।

सैद्धान्तिक आधार 1: बोहर मोडेल

बोहर मोडेलले मुख्यतया परमाणुहरूको आन्तरिक संरचना प्रदान गर्दछ, लेजरहरू कसरी हुन्छन् भनेर बुझ्न सजिलो बनाउँदछ। एटम न्यूक्लियस र न्यूक्लियस बाहिर इलेक्ट्रोनहरू मिलेर बनेको हुन्छ, र इलेक्ट्रोनहरूको कक्षाहरू मनमानी हुँदैनन्। इलेक्ट्रोनसँग केही निश्चित कक्षहरू मात्र हुन्छन्, जसमध्ये सबैभन्दा भित्री कक्षलाई ग्राउण्ड स्टेट भनिन्छ; यदि इलेक्ट्रोन जमिनको अवस्थामा छ भने, यसको ऊर्जा सबैभन्दा कम हुन्छ। यदि इलेक्ट्रोन कक्षाबाट बाहिर जान्छ भने, यसलाई पहिलो उत्तेजित अवस्था भनिन्छ, र पहिलो उत्तेजित अवस्थाको ऊर्जा जमिनको अवस्था भन्दा बढी हुन्छ; अर्को कक्षालाई दोस्रो उत्साहित अवस्था भनिन्छ;

लेजर हुनुको कारण यो हो कि इलेक्ट्रोनहरू यस मोडेलमा विभिन्न कक्षहरूमा सर्नेछन्। यदि इलेक्ट्रोनहरूले ऊर्जा अवशोषित गर्दछ भने, तिनीहरू जमिनको अवस्थाबाट उत्साहित अवस्थामा दौडन सक्छन्; यदि इलेक्ट्रोन उत्तेजित अवस्थाबाट ग्राउण्ड स्टेटमा फर्कन्छ भने, यसले ऊर्जालाई रिलिज गर्नेछ, जुन प्राय: लेजरको रूपमा जारी हुन्छ।

सैद्धान्तिक आधार २: आइन्स्टाइनको उत्तेजित विकिरण सिद्धान्त

1917 मा, आइन्स्टाइनले उत्तेजित विकिरणको सिद्धान्त प्रस्ताव गरे, जुन लेजरहरू र लेजर उत्पादनको लागि सैद्धान्तिक आधार हो: पदार्थको अवशोषण वा उत्सर्जन अनिवार्य रूपमा विकिरण क्षेत्र र पदार्थ बन्ने कणहरू र यसको मूल बीचको अन्तरक्रियाको परिणाम हो। सार भनेको विभिन्न ऊर्जा स्तरहरू बीचको कणहरूको संक्रमण हो। प्रकाश र पदार्थ बीचको अन्तरक्रियामा तीन फरक प्रक्रियाहरू छन्: सहज उत्सर्जन, उत्तेजित उत्सर्जन, र उत्तेजित अवशोषण। धेरै संख्यामा कणहरू भएको प्रणालीको लागि, यी तीन प्रक्रियाहरू सधैं एकसाथ रहन्छन् र नजिकबाट सम्बन्धित छन्।

सहज उत्सर्जन:

चित्रमा देखाइए अनुसार: उच्च-ऊर्जा स्तर E2 मा एक इलेक्ट्रोन सहज रूपमा निम्न-ऊर्जा स्तर E1 मा ट्रान्जिसन हुन्छ र hv, र hv=E2-E1 ऊर्जाको साथ फोटान उत्सर्जन गर्दछ; यो सहज र असंबद्ध संक्रमण प्रक्रियालाई सहज संक्रमण भनिन्छ, र सहज संक्रमणबाट उत्सर्जित प्रकाश तरंगहरूलाई सहज विकिरण भनिन्छ।

सहज उत्सर्जनका विशेषताहरू: प्रत्येक फोटोन स्वतन्त्र हुन्छ, विभिन्न दिशा र चरणहरूसहित, र घटना समय पनि अनियमित हुन्छ। यो असंगत र अराजक प्रकाश हो, जुन लेजर द्वारा आवश्यक प्रकाश होइन। त्यसकारण, लेजर उत्पादन प्रक्रियाले यस प्रकारको आवारा प्रकाश कम गर्न आवश्यक छ। यो पनि विभिन्न लेजरहरूको तरंग लम्बाइमा आवारा प्रकाश हुनुको एउटा कारण हो। यदि राम्रोसँग नियन्त्रण गरियो भने, लेजरमा सहज उत्सर्जनको अनुपातलाई बेवास्ता गर्न सकिन्छ। शुद्ध लेजर, जस्तै 1060 nm, यो सबै 1060 nm छ, यो प्रकारको लेजर एक अपेक्षाकृत स्थिर अवशोषण दर र शक्ति छ।

उत्तेजित अवशोषण:

कम उर्जा स्तर (कम ओर्बिटल) मा इलेक्ट्रोनहरु, फोटोनहरु अवशोषित पछि, उच्च ऊर्जा स्तरहरु (उच्च कक्षा) मा संक्रमण, र यो प्रक्रिया उत्तेजित अवशोषण भनिन्छ। उत्तेजित अवशोषण महत्त्वपूर्ण छ र मुख्य पम्पिंग प्रक्रियाहरू मध्ये एक हो। लेजरको पम्प स्रोतले फोटान ऊर्जा प्रदान गर्दछ कणहरूलाई गेन माध्यमबाट संक्रमणमा ल्याउन र उच्च ऊर्जा स्तरहरूमा उत्तेजित विकिरणको लागि पर्खनुहोस्, लेजर उत्सर्जन गर्दछ।

उत्तेजित विकिरण:

जब बाह्य ऊर्जा (hv=E2-E1) को प्रकाश द्वारा विकिरणित हुन्छ, उच्च ऊर्जा स्तरमा इलेक्ट्रोन बाह्य फोटोन द्वारा उत्साहित हुन्छ र कम ऊर्जा स्तरमा उफ्रन्छ (उच्च कक्षा तल्लो कक्षामा दौडन्छ)। एकै समयमा, यसले एक फोटान उत्सर्जन गर्दछ जुन बाहिरी फोटोन जस्तै हो। यस प्रक्रियाले मौलिक उत्तेजना प्रकाशलाई अवशोषित गर्दैन, त्यसैले त्यहाँ दुईवटा समान फोटानहरू हुनेछन्, जसलाई इलेक्ट्रोनले पहिले अवशोषित फोटोनलाई बाहिर निकालेको रूपमा बुझ्न सकिन्छ, यो ल्युमिनेसेन्स प्रक्रियालाई उत्तेजित विकिरण भनिन्छ, जुन उत्तेजित अवशोषणको उल्टो प्रक्रिया हो।

सिद्धान्त स्पष्ट भएपछि, लेजर निर्माण गर्न धेरै सरल छ, माथिको चित्रमा देखाइएको छ: भौतिक स्थिरताको सामान्य अवस्थामा, इलेक्ट्रोनहरूको विशाल बहुमत भू-अवस्थामा हुन्छ, इलेक्ट्रोनहरू जमिनको अवस्थामा हुन्छन्, र लेजर निर्भर गर्दछ। उत्तेजित विकिरण। तसर्थ, लेजरको ढाँचा भनेको उत्तेजित अवशोषण गर्न अनुमति दिनु हो, पहिले इलेक्ट्रोनहरूलाई उच्च ऊर्जा स्तरमा ल्याएर, र त्यसपछि ठूलो संख्यामा उच्च ऊर्जा स्तरका इलेक्ट्रोनहरूलाई उत्तेजित विकिरणबाट गुज्रने, फोटानहरू निकाल्ने, यसबाट, लेजर उत्पादन गर्न सकिन्छ। अर्को, हामी लेजर संरचना परिचय गर्नेछौं।

लेजर संरचना:

लेजर संरचनालाई पहिले उल्लेख गरिएका लेजर उत्पादन अवस्थाहरूसँग एक-एक गरी मिलाउनुहोस्:

घटनाको अवस्था र अनुरूप संरचना:

1. त्यहाँ एक लाभ माध्यम छ जसले लेजर कार्य माध्यमको रूपमा प्रवर्धन प्रभाव प्रदान गर्दछ, र यसको सक्रिय कणहरूमा उत्तेजित विकिरण उत्पन्न गर्न उपयुक्त ऊर्जा स्तर संरचना हुन्छ (मुख्यतया उच्च-ऊर्जा कक्षहरूमा इलेक्ट्रोनहरू पम्प गर्न सक्षम हुन्छ र निश्चित समयको लागि अवस्थित हुन्छ। , र त्यसपछि उत्तेजित विकिरण मार्फत एक सास मा फोटनहरू छोड्नुहोस्);

2. त्यहाँ एक बाह्य उत्तेजना स्रोत (पम्प स्रोत) छ जसले इलेक्ट्रोनहरूलाई तल्लो तहबाट माथिल्लो तहमा पम्प गर्न सक्छ, जसले लेजरको माथिल्लो र तल्लो तहहरू (अर्थात, जब त्यहाँ धेरै उच्च-ऊर्जा कणहरू छन्) बीचको कण संख्या उल्टो हुन्छ। कम-ऊर्जा कणहरू), जस्तै YAG लेजरहरूमा xenon बत्ती;

3. त्यहाँ एक अनुनाद गुहा छ जसले लेजर दोलन हासिल गर्न सक्छ, लेजर काम गर्ने सामग्रीको कार्य लम्बाइ बढाउन सक्छ, प्रकाश तरंग मोड स्क्रिन गर्न सक्छ, किरणको प्रसार दिशा नियन्त्रण गर्न सक्छ, मोनोक्रोमेटिकता सुधार गर्न उत्तेजित विकिरण फ्रिक्वेन्सीलाई छनोट गरी विस्तार गर्न सक्छ (यस सुनिश्चित गर्दै। लेजर एक निश्चित ऊर्जामा आउटपुट हुन्छ)।

सम्बन्धित संरचना माथिको चित्रमा देखाइएको छ, जुन YAG लेजरको साधारण संरचना हो। अन्य संरचनाहरू अधिक जटिल हुन सक्छ, तर मूल यो हो। लेजर उत्पादन प्रक्रिया चित्रमा देखाइएको छ:

लेजर वर्गीकरण: सामान्यतया लाभ माध्यम वा लेजर ऊर्जा फारम द्वारा वर्गीकृत

मध्यम वर्गीकरण प्राप्त गर्नुहोस्:

कार्बन डाइअक्साइड लेजर: कार्बन डाइअक्साइड लेजरको लाभको माध्यम हेलियम र होCO2 लेजर,10.6um को लेजर तरंग लम्बाइको साथ, जुन प्रारम्भ हुने लेजर उत्पादनहरू मध्ये एक हो। प्रारम्भिक लेजर वेल्डिंग मुख्यतया कार्बन डाइअक्साइड लेजरमा आधारित थियो, जुन हाल मुख्यतया गैर-धातु सामग्री (कपडा, प्लास्टिक, काठ, आदि) को वेल्डिंग र काट्न प्रयोग गरिन्छ। थप रूपमा, यो लिथोग्राफी मेसिनहरूमा पनि प्रयोग गरिन्छ। कार्बन डाइअक्साइड लेजर अप्टिकल फाइबर मार्फत प्रसारित गर्न सकिँदैन र स्थानिय अप्टिकल मार्गहरू मार्फत यात्रा गर्न सकिँदैन, प्रारम्भिक Tongkuai अपेक्षाकृत राम्रोसँग गरिएको थियो, र धेरै काट्ने उपकरणहरू प्रयोग गरिएको थियो;

YAG (yttrium एल्युमिनियम गार्नेट) लेजर: 1.06um को उत्सर्जन तरंगदैर्ध्यको साथ, नियोडियम (Nd) वा yttrium (Yb) धातु आयनहरूसँग डोप गरिएको YAG क्रिस्टलहरू लेजर गेन माध्यमको रूपमा प्रयोग गरिन्छ। YAG लेजरले उच्च दालहरू उत्पादन गर्न सक्छ, तर औसत शक्ति कम छ, र शिखर पावर औसत शक्तिको 15 गुणा पुग्न सक्छ। यदि यो मुख्यतया पल्स लेजर हो भने, निरन्तर आउटपुट प्राप्त गर्न सकिँदैन; तर यो अप्टिकल फाइबर मार्फत प्रसारित गर्न सकिन्छ, र एकै समयमा, धातु सामाग्री को अवशोषण दर बढ्छ, र यो उच्च परावर्तन सामाग्री मा लागू गर्न सुरु भएको छ, पहिलो 3C क्षेत्र मा लागू;

फाइबर लेजर: बजारमा हालको मुख्यधाराले 1060nm को तरंग लम्बाइको साथ, लाभको माध्यमको रूपमा ytterbium doped फाइबर प्रयोग गर्दछ। यसलाई मध्यम आकारको आधारमा फाइबर र डिस्क लेजरहरूमा विभाजन गरिएको छ; फाइबर अप्टिकले IPG को प्रतिनिधित्व गर्दछ, जबकि डिस्कले Tongkuai लाई प्रतिनिधित्व गर्दछ।

अर्धचालक लेजर: लाभ माध्यम एक अर्धचालक PN जंक्शन हो, र अर्धचालक लेजर को तरंग दैर्ध्य मुख्यतया 976nm मा छ। हाल, अर्धचालक नजिक इन्फ्रारेड लेजरहरू मुख्यतया 600um माथि प्रकाश स्पटहरू सहित, क्लेडिंगको लागि प्रयोग गरिन्छ। लेजरलाइन अर्धचालक लेजरहरूको प्रतिनिधि उद्यम हो।

ऊर्जा कार्य को रूप द्वारा वर्गीकृत: पल्स लेजर (PULSE), अर्ध निरन्तर लेजर (QCW), निरन्तर लेजर (CW)

पल्स लेजर: नानोसेकेन्ड, पिकोसेकेन्ड, फेमटोसेकेन्ड, यो उच्च आवृत्ति पल्स लेजर (एनएस, पल्स चौडाइ) ले प्राय: उच्च शिखर ऊर्जा, उच्च आवृत्ति (MHZ) प्रशोधन, पातलो तामा र एल्युमिनियम भिन्न सामग्रीहरू प्रशोधन गर्न प्रयोग गरिन्छ, साथै प्रायः सफा गर्न सक्छ। । उच्च शिखर ऊर्जा प्रयोग गरेर, यसले तुरुन्तै आधार सामग्रीलाई पग्लन सक्छ, कम कार्य समय र सानो गर्मी प्रभावित क्षेत्रको साथ। यो अल्ट्रा-पातलो सामग्री (0.5mm तल) को प्रशोधन मा लाभ छ;

अर्ध निरन्तर लेजर (QCW): उच्च पुनरावृत्ति दर र कम शुल्क चक्र (50% भन्दा कम) को कारण, पल्स चौडाइQCW लेजरकिलोवाट स्तर निरन्तर फाइबर लेजर र Q-स्विच गरिएको पल्स लेजर बीचको खाडल भर्दै, 50 us-50 ms पुग्छ; अर्ध निरन्तर फाइबर लेजरको शिखर पावर निरन्तर मोड सञ्चालन अन्तर्गत औसत पावरको १० गुणा पुग्न सक्छ। QCW लेजरहरूमा सामान्यतया दुई मोडहरू हुन्छन्, एउटा कम पावरमा निरन्तर वेल्डिङ, र अर्को पल्स्ड लेजर वेल्डिङ हो जसमा औसत पावरको 10 गुणा चुचुरो पावर हुन्छ, जसले बाक्लो सामग्री र अधिक ताप वेल्डिङ प्राप्त गर्न सक्छ, जबकि भित्रको तापलाई नियन्त्रण गर्दछ। धेरै सानो दायरा;

कन्टिन्युअस लेजर (CW): यो सबैभन्दा सामान्य रूपमा प्रयोग हुने हो, र बजारमा देखिने अधिकांश लेजरहरू CW लेजरहरू हुन् जसले वेल्डिङ प्रशोधनका लागि निरन्तर आउटपुट लेजरहरू हुन्। फाइबर लेजरहरूलाई एकल-मोड र बहु-मोड लेजरहरूमा विभिन्न कोर व्यास र बीम गुणहरू अनुसार विभाजन गरिएको छ, र विभिन्न अनुप्रयोग परिदृश्यहरूमा अनुकूलित गर्न सकिन्छ।