लेजर उत्पादनको सिद्धान्त

हामीलाई लेजरको सिद्धान्त किन जान्नु आवश्यक छ?

सामान्य अर्धचालक लेजरहरू, फाइबरहरू, डिस्कहरू, र बीचको भिन्नताहरू जान्दैYAG लेजरछनोट प्रक्रियाको क्रममा राम्रोसँग बुझाइ प्राप्त गर्न र थप छलफलमा संलग्न हुन पनि मद्दत गर्न सक्छ।

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

पहिलो, लेजर उत्पादनको सिद्धान्त

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

सैद्धान्तिक आधार १: बोहर मोडेल

बोहर मोडेलले मुख्यतया परमाणुहरूको आन्तरिक संरचना प्रदान गर्दछ, जसले गर्दा लेजरहरू कसरी हुन्छन् भनेर बुझ्न सजिलो हुन्छ। परमाणु केन्द्रक र केन्द्रक बाहिर इलेक्ट्रोनहरू मिलेर बनेको हुन्छ, र इलेक्ट्रोनहरूको कक्षा मनमानी हुँदैन। इलेक्ट्रोनहरूमा केवल केही कक्षाहरू हुन्छन्, जसमध्ये सबैभन्दा भित्री कक्षलाई भूमि अवस्था भनिन्छ; यदि इलेक्ट्रोन भूमि अवस्थामा छ भने, यसको ऊर्जा सबैभन्दा कम हुन्छ। यदि इलेक्ट्रोन कक्षाबाट बाहिर निस्कन्छ भने, यसलाई पहिलो उत्तेजित अवस्था भनिन्छ, र पहिलो उत्तेजित अवस्थाको ऊर्जा भूमि अवस्था भन्दा बढी हुनेछ; अर्को कक्षालाई दोस्रो उत्तेजित अवस्था भनिन्छ;

लेजर हुन सक्ने कारण यो हो कि यस मोडेलमा इलेक्ट्रोनहरू फरक-फरक कक्षामा सर्नेछन्। यदि इलेक्ट्रोनहरूले ऊर्जा अवशोषित गर्छन् भने, तिनीहरू जमिनको अवस्थाबाट उत्तेजित अवस्थामा दौडन सक्छन्; यदि इलेक्ट्रोन उत्तेजित अवस्थाबाट जमिनको अवस्थामा फर्कन्छ भने, यसले ऊर्जा छोड्नेछ, जुन प्रायः लेजरको रूपमा छोडिन्छ।

सैद्धान्तिक आधार २: आइन्स्टाइनको उत्तेजित विकिरण सिद्धान्त

१९१७ मा, आइन्स्टाइनले उत्तेजित विकिरणको सिद्धान्त प्रस्ताव गरे, जुन लेजर र लेजर उत्पादनको सैद्धान्तिक आधार हो: पदार्थको अवशोषण वा उत्सर्जन अनिवार्य रूपमा विकिरण क्षेत्र र पदार्थ बनाउने कणहरू बीचको अन्तरक्रियाको परिणाम हो, र यसको मूल सार विभिन्न ऊर्जा स्तरहरू बीच कणहरूको संक्रमण हो। प्रकाश र पदार्थ बीचको अन्तरक्रियामा तीन फरक प्रक्रियाहरू छन्: सहज उत्सर्जन, उत्तेजित उत्सर्जन, र उत्तेजित अवशोषण। ठूलो संख्यामा कणहरू भएको प्रणालीको लागि, यी तीन प्रक्रियाहरू सधैं सहअस्तित्वमा रहन्छन् र नजिकबाट सम्बन्धित छन्।

स्वतःस्फूर्त उत्सर्जन:

चित्रमा देखाइएझैं: उच्च-ऊर्जा स्तर E2 मा रहेको इलेक्ट्रोन स्वतःस्फूर्त रूपमा कम-ऊर्जा स्तर E1 मा संक्रमण गर्छ र hv ऊर्जा भएको फोटोन उत्सर्जन गर्छ, र hv=E2-E1; यो सहज र असंबद्ध संक्रमण प्रक्रियालाई सहज संक्रमण भनिन्छ, र सहज संक्रमणबाट उत्सर्जित प्रकाश तरंगहरूलाई सहज विकिरण भनिन्छ।

स्वतःस्फूर्त उत्सर्जनका विशेषताहरू: प्रत्येक फोटोन स्वतन्त्र हुन्छ, फरक दिशा र चरणहरू सहित, र घटना समय पनि अनियमित हुन्छ। यो असंगत र अराजक प्रकाशसँग सम्बन्धित छ, जुन लेजरलाई आवश्यक पर्ने प्रकाश होइन। त्यसैले, लेजर उत्पादन प्रक्रियाले यस प्रकारको आवारा प्रकाशलाई कम गर्न आवश्यक छ। विभिन्न लेजरहरूको तरंगदैर्ध्य आवारा प्रकाश हुनुको यो पनि एउटा कारण हो। यदि राम्रोसँग नियन्त्रण गरियो भने, लेजरमा स्वतःस्फूर्त उत्सर्जनको अनुपातलाई बेवास्ता गर्न सकिन्छ। लेजर जति शुद्ध हुन्छ, जस्तै १०६० एनएम, यो सबै १०६० एनएम हुन्छ। यस प्रकारको लेजरमा अपेक्षाकृत स्थिर अवशोषण दर र शक्ति हुन्छ।

उत्तेजित अवशोषण:

कम ऊर्जा स्तर (कम कक्ष) मा इलेक्ट्रोनहरू, फोटोनहरू अवशोषित गरेपछि, उच्च ऊर्जा स्तर (उच्च कक्ष) मा संक्रमण हुन्छ, र यो प्रक्रियालाई उत्तेजित अवशोषण भनिन्छ। उत्तेजित अवशोषण महत्त्वपूर्ण छ र प्रमुख पम्पिङ प्रक्रियाहरू मध्ये एक हो। लेजरको पम्प स्रोतले फोटोन ऊर्जा प्रदान गर्दछ जसले लाभ माध्यममा कणहरूलाई संक्रमणमा पुर्‍याउँछ र उच्च ऊर्जा स्तरमा उत्तेजित विकिरणको लागि पर्खन्छ, लेजर उत्सर्जन गर्दछ।

उत्तेजित विकिरण:

बाह्य ऊर्जाको प्रकाश (hv=E2-E1) द्वारा विकिरणित हुँदा, उच्च ऊर्जा स्तरमा रहेको इलेक्ट्रोन बाह्य फोटोनद्वारा उत्तेजित हुन्छ र कम ऊर्जा स्तरमा उफ्रन्छ (उच्च कक्षा कम कक्षामा दौडन्छ)। साथै, यसले बाह्य फोटोन जस्तै फोटोन उत्सर्जन गर्दछ। यो प्रक्रियाले मूल उत्तेजना प्रकाशलाई अवशोषित गर्दैन, त्यसैले त्यहाँ दुई समान फोटोनहरू हुनेछन्, जुन इलेक्ट्रोनले पहिले अवशोषित फोटोनलाई बाहिर निकाल्दा बुझ्न सकिन्छ। यो ल्युमिनेसेन्स प्रक्रियालाई उत्तेजित विकिरण भनिन्छ, जुन उत्तेजित अवशोषणको उल्टो प्रक्रिया हो।

सिद्धान्त स्पष्ट भएपछि, माथिको चित्रमा देखाइए अनुसार लेजर निर्माण गर्न धेरै सरल छ: भौतिक स्थिरताको सामान्य अवस्थामा, अधिकांश इलेक्ट्रोनहरू जमिनको अवस्थामा हुन्छन्, इलेक्ट्रोनहरू जमिनको अवस्थामा हुन्छन्, र लेजर उत्तेजित विकिरणमा निर्भर गर्दछ। त्यसकारण, लेजरको संरचना भनेको पहिले उत्तेजित अवशोषण हुन अनुमति दिनु हो, इलेक्ट्रोनहरूलाई उच्च ऊर्जा स्तरमा ल्याउनु हो, र त्यसपछि उत्तेजित विकिरणबाट गुज्रन ठूलो संख्यामा उच्च ऊर्जा स्तरका इलेक्ट्रोनहरूलाई उत्तेजित विकिरणबाट गुज्रन उत्तेजित प्रदान गर्नु हो, फोटोनहरू जारी गर्नु हो, यसबाट, लेजर उत्पन्न गर्न सकिन्छ। अर्को, हामी लेजर संरचना परिचय गराउनेछौं।

लेजर संरचना:

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

घटनाको अवस्था र सम्बन्धित संरचना:

१. लेजर कार्य गर्ने माध्यमको रूपमा प्रवर्धन प्रभाव प्रदान गर्ने एउटा लाभ माध्यम छ, र यसको सक्रिय कणहरूमा उत्तेजित विकिरण उत्पन्न गर्न उपयुक्त ऊर्जा स्तर संरचना हुन्छ (मुख्यतया इलेक्ट्रोनहरूलाई उच्च-ऊर्जा कक्षहरूमा पम्प गर्न र निश्चित समयको लागि अवस्थित हुन सक्षम हुन्छ, र त्यसपछि उत्तेजित विकिरण मार्फत एक सासमा फोटोनहरू छोड्छ);

२. त्यहाँ एउटा बाह्य उत्तेजना स्रोत (पम्प स्रोत) छ जसले तल्लो तहबाट माथिल्लो तहमा इलेक्ट्रोनहरू पम्प गर्न सक्छ, जसले लेजरको माथिल्लो र तल्लो तहहरू बीच कण संख्या उल्टो बनाउँछ (अर्थात्, जब कम-ऊर्जा कणहरू भन्दा बढी उच्च-ऊर्जा कणहरू हुन्छन्), जस्तै YAG लेजरहरूमा क्सीनन बत्ती;

३. त्यहाँ एउटा रेजोनन्ट गुहा छ जसले लेजर दोलन प्राप्त गर्न सक्छ, लेजर काम गर्ने सामग्रीको काम गर्ने लम्बाइ बढाउन सक्छ, प्रकाश तरंग मोड स्क्रिन गर्न सक्छ, किरणको प्रसार दिशा नियन्त्रण गर्न सक्छ, मोनोक्रोमेटिकिटी सुधार गर्न उत्तेजित विकिरण आवृत्तिलाई छनौट रूपमा बढाउन सक्छ (लेजर निश्चित ऊर्जामा आउटपुट भएको सुनिश्चित गर्दै)।

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

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

मध्यम वर्गीकरण प्राप्त गर्नुहोस्:

कार्बन डाइअक्साइड लेजर: कार्बन डाइअक्साइड लेजरको लाभ माध्यम हेलियम हो रCO2 लेजर,१०.६um को लेजर तरंगदैर्ध्यको साथ, जुन सुरु हुने सबैभन्दा प्रारम्भिक लेजर उत्पादनहरू मध्ये एक हो। प्रारम्भिक लेजर वेल्डिंग मुख्यतया कार्बन डाइअक्साइड लेजरमा आधारित थियो, जुन हाल मुख्यतया गैर-धातु सामग्रीहरू (कपडा, प्लास्टिक, काठ, आदि) वेल्डिंग र काट्न प्रयोग गरिन्छ। यसको अतिरिक्त, यो लिथोग्राफी मेसिनहरूमा पनि प्रयोग गरिन्छ। कार्बन डाइअक्साइड लेजर अप्टिकल फाइबरहरू मार्फत प्रसारित गर्न सकिँदैन र स्थानिय अप्टिकल मार्गहरू मार्फत यात्रा गर्दछ, प्रारम्भिक टोङ्कुई अपेक्षाकृत राम्रोसँग गरिएको थियो, र धेरै काट्ने उपकरणहरू प्रयोग गरिएको थियो;

YAG (yttrium aluminium garnet) लेजर: नियोडिमियम (Nd) वा yttrium (Yb) धातु आयनहरूसँग डोप गरिएको YAG क्रिस्टलहरू लेजर लाभ माध्यमको रूपमा प्रयोग गरिन्छ, जसको उत्सर्जन तरंगदैर्ध्य 1.06um हुन्छ। YAG लेजरले उच्च पल्स आउटपुट गर्न सक्छ, तर औसत पावर कम हुन्छ, र शिखर पावर औसत पावरको 15 गुणा पुग्न सक्छ। यदि यो मुख्यतया पल्स लेजर हो भने, निरन्तर आउटपुट प्राप्त गर्न सकिँदैन; तर यसलाई अप्टिकल फाइबरहरू मार्फत प्रसारित गर्न सकिन्छ, र एकै समयमा, धातु सामग्रीहरूको अवशोषण दर बढ्छ, र यो उच्च परावर्तकता सामग्रीहरूमा लागू हुन थालेको छ, पहिले 3C क्षेत्रमा लागू गरिएको;

फाइबर लेजर: बजारमा हालको मुख्यधाराले १०६०nm तरंगदैर्ध्यको साथ लाभ माध्यमको रूपमा यटरबियम डोपेड फाइबर प्रयोग गर्दछ। यसलाई माध्यमको आकारको आधारमा फाइबर र डिस्क लेजरहरूमा थप विभाजन गरिएको छ; फाइबर अप्टिकले IPG लाई प्रतिनिधित्व गर्दछ, जबकि डिस्कले टोङ्कुईलाई प्रतिनिधित्व गर्दछ।

अर्धचालक लेजर: लाभ माध्यम अर्धचालक PN जंक्शन हो, र अर्धचालक लेजरको तरंगदैर्ध्य मुख्यतया 976nm मा हुन्छ। हाल, अर्धचालक नजिक-इन्फ्रारेड लेजरहरू मुख्यतया क्ल्याडिंगको लागि प्रयोग गरिन्छ, जसमा 600um भन्दा माथि प्रकाश दागहरू हुन्छन्। लेजरलाइन अर्धचालक लेजरहरूको प्रतिनिधि उद्यम हो।

ऊर्जा कार्यको रूप अनुसार वर्गीकृत: पल्स लेजर (PULSE), अर्ध निरन्तर लेजर (QCW), निरन्तर लेजर (CW)

पल्स लेजर: नानोसेकेन्ड, पिकोसेकेन्ड, फेमटोसेकेन्ड, यो उच्च-फ्रिक्वेन्सी पल्स लेजर (एनएस, पल्स चौडाइ) ले प्रायः उच्च शिखर ऊर्जा, उच्च आवृत्ति (MHZ) प्रशोधन प्राप्त गर्न सक्छ, पातलो तामा र एल्युमिनियम फरक सामग्रीहरू प्रशोधन गर्न प्रयोग गरिन्छ, साथै प्रायः सफा गर्न पनि प्रयोग गरिन्छ। उच्च शिखर ऊर्जा प्रयोग गरेर, यसले कम कार्य समय र सानो ताप प्रभावित क्षेत्रको साथ आधार सामग्रीलाई द्रुत रूपमा पगाल्न सक्छ। अल्ट्रा-पातलो सामग्रीहरू (०.५ मिमी भन्दा कम) प्रशोधन गर्न यसको फाइदाहरू छन्;

अर्ध निरन्तर लेजर (QCW): उच्च पुनरावृत्ति दर र कम कर्तव्य चक्र (५०% भन्दा कम) को कारण, पल्स चौडाइQCW लेजरकिलोवाट स्तरको निरन्तर फाइबर लेजर र Q-स्विच गरिएको पल्स लेजर बीचको खाडल भर्दै, ५० us-५० ms पुग्छ; निरन्तर मोड सञ्चालन अन्तर्गत अर्ध निरन्तर फाइबर लेजरको शिखर शक्ति औसत शक्तिको १० गुणा पुग्न सक्छ। QCW लेजरहरूमा सामान्यतया दुई मोडहरू हुन्छन्, एउटा कम शक्तिमा निरन्तर वेल्डिंग हो, र अर्को औसत शक्तिको १० गुणा शिखर शक्ति भएको पल्स्ड लेजर वेल्डिंग हो, जसले बाक्लो सामग्री र बढी ताप वेल्डिंग प्राप्त गर्न सक्छ, जबकि धेरै सानो दायरा भित्र ताप नियन्त्रण पनि गर्न सक्छ;

निरन्तर लेजर (CW): यो सबैभन्दा धेरै प्रयोग हुने लेजर हो, र बजारमा देखिने धेरैजसो लेजरहरू CW लेजरहरू हुन् जसले वेल्डिंग प्रशोधनको लागि निरन्तर लेजर आउटपुट गर्दछ। फाइबर लेजरहरूलाई विभिन्न कोर व्यास र बीम गुणहरू अनुसार एकल-मोड र बहु-मोड लेजरहरूमा विभाजित गरिन्छ, र विभिन्न अनुप्रयोग परिदृश्यहरूमा अनुकूलित गर्न सकिन्छ।