Լազերային գեներացիայի սկզբունքը

Ինչու՞ պետք է իմանանք լազերների սկզբունքը:

Իմանալով ընդհանուր կիսահաղորդչային լազերների, մանրաթելերի, սկավառակների ևYAG լազերկարող է նաև օգնել ավելի լավ պատկերացում կազմելու և ավելի շատ քննարկումների մեջ ներգրավվելու ընտրության գործընթացում:

Հոդվածը հիմնականում կենտրոնանում է հանրաճանաչ գիտության վրա՝ հակիրճ ներածություն լազերային գեներացիայի սկզբունքի, լազերների հիմնական կառուցվածքի և լազերների մի քանի տարածված տեսակների մասին։

Նախ՝ լազերային արտադրության սկզբունքը

Լազերը առաջանում է լույսի և նյութի փոխազդեցության միջոցով, որը հայտնի է որպես խթանված ճառագայթման ուժեղացում; Խթանված ճառագայթման ուժեղացման հասկանալը պահանջում է հասկանալ Էյնշտեյնի ինքնաբուխ արտանետման, խթանված կլանման և խթանված ճառագայթման հասկացությունները, ինչպես նաև որոշ անհրաժեշտ տեսական հիմքեր:

Տեսական հիմք 1. Բորի մոդել

Բորի մոդելը հիմնականում ապահովում է ատոմների ներքին կառուցվածքը՝ հեշտացնելով հասկանալ, թե ինչպես են առաջանում լազերները։ Ատոմը կազմված է միջուկից և միջուկից դուրս գտնվող էլեկտրոններից, և էլեկտրոնների ուղեծրերը կամայական չեն։ Էլեկտրոններն ունեն միայն որոշակի ուղեծրեր, որոնցից ամենաներքին ուղեծրը կոչվում է հիմնական վիճակ. Եթե ​​էլեկտրոնը գտնվում է հիմնական վիճակում, ապա նրա էներգիան ամենացածրն է։ Եթե ​​էլեկտրոնը դուրս է ցատկում ուղեծրից, այն կոչվում է գրգռված առաջին վիճակ, և առաջին գրգռված վիճակի էներգիան ավելի բարձր կլինի, քան հիմնական վիճակի էներգիան. Մեկ այլ ուղեծիր կոչվում է երկրորդ գրգռված վիճակ.

Լազերի առաջացման պատճառն այն է, որ այս մոդելում էլեկտրոնները շարժվելու են տարբեր ուղեծրերով: Եթե ​​էլեկտրոնները կլանում են էներգիան, նրանք կարող են վազել հիմնական վիճակից դեպի գրգռված վիճակ; Եթե ​​էլեկտրոնը գրգռված վիճակից վերադառնում է հիմնական վիճակ, այն կթողնի էներգիա, որը հաճախ արտազատվում է լազերի տեսքով։

Տեսական հիմք 2. Էյնշտեյնի խթանված ճառագայթման տեսություն

1917 թվականին Էյնշտեյնը առաջարկեց խթանված ճառագայթման տեսությունը, որը լազերների և լազերային արտադրության տեսական հիմքն է. Էությունը մասնիկների անցումն է էներգիայի տարբեր մակարդակների միջև: Լույսի և նյութի փոխազդեցության մեջ կան երեք տարբեր գործընթացներ՝ ինքնաբուխ արտանետում, խթանված արտանետում և խթանված կլանում: Մեծ թվով մասնիկներ պարունակող համակարգի համար այս երեք գործընթացները միշտ գոյակցում են և սերտորեն կապված են:

Ինքնաբուխ արտանետում.

Ինչպես ցույց է տրված նկարում. E2 բարձր էներգիայի մակարդակի էլեկտրոնը ինքնաբերաբար անցնում է ցածր էներգիայի E1 մակարդակին և արձակում է hv էներգիայով ֆոտոն, իսկ hv=E2-E1; Այս ինքնաբուխ և անկապ անցումային գործընթացը կոչվում է ինքնաբուխ անցում, իսկ լուսային ալիքները, որոնք արտանետվում են ինքնաբուխ անցումներից, կոչվում են ինքնաբուխ ճառագայթում:

Ինքնաբուխ արտանետման բնութագրերը. Յուրաքանչյուր ֆոտոն անկախ է, ունի տարբեր ուղղություններ և փուլեր, և առաջացման ժամանակը նույնպես պատահական է: Այն պատկանում է անկապ և քաոսային լույսին, որը լազերային պահանջվող լույսը չէ։ Հետևաբար, լազերային գեներացման գործընթացը պետք է նվազեցնի այս տեսակի մոլորված լույսը: Սա նաև պատճառներից մեկն է, որ տարբեր լազերների ալիքի երկարությունը շեղող լույս ունի։ Եթե ​​լավ վերահսկվի, ապա լազերային ինքնաբուխ արտանետումների համամասնությունը կարող է անտեսվել: Որքան մաքուր է լազերը, ինչպիսին է 1060 նմ, այն ամբողջը 1060 նմ է: Լազերի այս տեսակն ունի համեմատաբար կայուն կլանման արագություն և հզորություն:

Խթանված կլանումը.

Էլեկտրոնները ցածր էներգիայի մակարդակներում (ցածր ուղեծրեր), ֆոտոնները կլանելուց հետո անցնում են ավելի բարձր էներգիայի մակարդակների (բարձր ուղեծրեր), և այս գործընթացը կոչվում է խթանված կլանում։ Խթանված կլանումը շատ կարևոր է և հիմնական պոմպային գործընթացներից մեկն է: Լազերի պոմպի աղբյուրը ապահովում է ֆոտոնների էներգիա՝ առաջացնելով մասնիկներ շահույթի միջավայրում դեպի անցում և սպասել ավելի բարձր էներգիայի մակարդակներում գրգռված ճառագայթման՝ արտանետելով լազեր:

Խթանված ճառագայթում.

Արտաքին էներգիայի լույսով (hv=E2-E1) ճառագայթվելիս էլեկտրոնը բարձր էներգիայի մակարդակում գրգռվում է արտաքին ֆոտոնով և ցատկում դեպի ցածր էներգիայի մակարդակ (բարձր ուղեծիրն անցնում է դեպի ցածր ուղեծիր)։ Միևնույն ժամանակ այն արձակում է ֆոտոն, որը ճիշտ նույնն է, ինչ արտաքին ֆոտոնը։ Այս գործընթացը չի կլանում սկզբնական գրգռված լույսը, ուստի կլինեն երկու նույնական ֆոտոններ, որոնք կարելի է հասկանալ, քանի որ էլեկտրոնը դուրս է թքում նախկինում կլանված ֆոտոնը:

Տեսությունը պարզելուց հետո լազեր կառուցելը շատ պարզ է, ինչպես ցույց է տրված վերը նշված նկարում. նյութական կայունության նորմալ պայմաններում էլեկտրոնների ճնշող մեծամասնությունը գտնվում է հիմնական վիճակում, էլեկտրոնները՝ հիմնական վիճակում, իսկ լազերը կախված է. խթանված ճառագայթում. Հետևաբար, լազերի կառուցվածքը պետք է թույլ տա, որ սկզբում տեղի ունենա խթանված կլանումը, էլեկտրոնները հասցնելով բարձր էներգիայի մակարդակի, այնուհետև ապահովելով գրգռում, որպեսզի մեծ թվով բարձր էներգիայի մակարդակի էլեկտրոններ ենթարկվեն գրգռված ճառագայթման՝ ազատելով ֆոտոններ։ լազերային կարող է առաջանալ. Հաջորդիվ կներկայացնենք լազերային կառուցվածքը։

Լազերային կառուցվածք.

Լազերային կառուցվածքը մեկ առ մեկ համապատասխանեցրեք նախկինում նշված լազերային առաջացման պայմաններին.

Առաջացման վիճակը և համապատասխան կառուցվածքը.

1. Գոյություն ունի ձեռքբերման միջավայր, որն ապահովում է ուժեղացման էֆեկտ՝ որպես լազերային աշխատանքային միջավայր, և դրա ակտիվացված մասնիկները ունեն էներգիայի մակարդակի կառուցվածք, որը հարմար է խթանված ճառագայթման առաջացման համար (հիմնականում ունակ է էլեկտրոնները մղել բարձր էներգիայի ուղեծրեր և գոյություն ունենալ որոշակի ժամանակահատվածի համար։ , և այնուհետև մեկ շնչով թողարկեք ֆոտոններ գրգռված ճառագայթման միջոցով);

2. Գոյություն ունի գրգռման արտաքին աղբյուր (պոմպի աղբյուր), որը կարող է էլեկտրոններ մղել ստորին մակարդակից վերին մակարդակ՝ առաջացնելով մասնիկների թվի ինվերսիա լազերի վերին և ստորին մակարդակների միջև (այսինքն, երբ կան ավելի շատ բարձր էներգիայի մասնիկներ, քան ցածր էներգիայի մասնիկներ), ինչպիսիք են քսենոնային լամպը YAG լազերներում;

3. Կա ռեզոնանսային խոռոչ, որը կարող է հասնել լազերային տատանումների, մեծացնել լազերային աշխատանքային նյութի աշխատանքային երկարությունը, լուսային ալիքի ռեժիմը ցուցադրել, վերահսկել ճառագայթի տարածման ուղղությունը, ընտրողաբար ուժեղացնել գրգռված ճառագայթման հաճախականությունը՝ բարելավելու մոնոխրոմատիկությունը (ապահովելով, որ լազերը թողարկվում է որոշակի էներգիայով):

Համապատասխան կառուցվածքը ներկայացված է վերը նշված նկարում, որը YAG լազերի պարզ կառուցվածքն է: Այլ կառույցները կարող են ավելի բարդ լինել, բայց առանցքը սա է. Լազերային արտադրության գործընթացը ներկայացված է նկարում.

Լազերային դասակարգում. ընդհանուր առմամբ դասակարգվում է ըստ շահույթի միջին կամ լազերային էներգիայի ձևի

Ստացեք միջին դասակարգում.

Ածխածնի երկօքսիդի լազերԱծխածնի երկօքսիդի լազերի ստացման միջավայրը հելիումն է ևCO2 լազեր,10,6 մմ լազերային ալիքի երկարությամբ, որը թողարկված ամենավաղ լազերային արտադրանքներից մեկն է: Վաղ լազերային եռակցումը հիմնականում հիմնված էր ածխածնի երկօքսիդի լազերի վրա, որը ներկայումս հիմնականում օգտագործվում է ոչ մետաղական նյութերի (գործվածքներ, պլաստմասսա, փայտ և այլն) եռակցման և կտրման համար։ Բացի այդ, այն օգտագործվում է նաև լիտոգրաֆիայի մեքենաների վրա։ Ածխածնի երկօքսիդի լազերը չի կարող փոխանցվել օպտիկական մանրաթելերի միջոցով և ճանապարհորդում է տարածական օպտիկական ուղիներով, ամենավաղ Tongkuai-ն համեմատաբար լավ է արվել, և օգտագործվել է շատ կտրող սարքավորումներ.

YAG (իտրիումի ալյումինե նռնաքար) լազեր. YAG բյուրեղները, որոնք ներծծված են նեոդիմի (Nd) կամ իտրիումի (Yb) մետաղական իոններով, օգտագործվում են որպես լազերային ձեռքբերման միջավայր՝ արտանետման ալիքի երկարությամբ 1,06 մում: YAG լազերը կարող է ավելի բարձր իմպուլսներ արտադրել, բայց միջին հզորությունը ցածր է, իսկ գագաթնակետային հզորությունը կարող է հասնել միջին հզորության 15 անգամ: Եթե ​​դա հիմնականում իմպուլսային լազերային է, ապա շարունակական ելքը հնարավոր չէ հասնել. Բայց այն կարող է փոխանցվել օպտիկական մանրաթելերի միջոցով, և միևնույն ժամանակ, մետաղական նյութերի կլանման արագությունը մեծանում է, և այն սկսում է կիրառվել բարձր անդրադարձնող նյութերում, որոնք առաջին անգամ կիրառվել են 3C դաշտում;

Օպտիկամանրաթելային լազեր. Շուկայի ներկայիս հիմնական հոսքը օգտագործում է իտտերբիումով լիցքավորված մանրաթել որպես շահույթի միջավայր՝ 1060 նմ ալիքի երկարությամբ: Այն հետագայում բաժանվում է մանրաթելային և սկավառակային լազերների՝ հիմնվելով միջավայրի ձևի վրա. Օպտիկամանրաթելային համակարգը ներկայացնում է IPG, իսկ սկավառակը ներկայացնում է Tongkuai-ն:

Կիսահաղորդչային լազեր. շահույթի միջավայրը կիսահաղորդչային PN հանգույց է, իսկ կիսահաղորդչային լազերի ալիքի երկարությունը հիմնականում 976 նմ է: Ներկայումս կիսահաղորդչային մոտ ինֆրակարմիր լազերները հիմնականում օգտագործվում են երեսպատման համար՝ 600 մմ-ից բարձր լուսային բծերով: Laserline-ը կիսահաղորդչային լազերների ներկայացուցչական ձեռնարկություն է։

Դասակարգվում է ըստ էներգիայի գործողության ձևի՝ իմպուլսային լազեր (PULSE), քվազի շարունակական լազեր (QCW), շարունակական լազեր (CW)

Իմպուլսային լազեր՝ նանվայրկյան, պիկվայրկյան, ֆեմտովայրկյան, այս բարձր հաճախականության իմպուլսային լազերը (ns, զարկերակային լայնություն) հաճախ կարող է հասնել բարձր գագաթնակետային էներգիայի, բարձր հաճախականության (MHZ) մշակման, որն օգտագործվում է բարակ պղնձի և ալյումինի տարբեր նյութերի մշակման, ինչպես նաև հիմնականում մաքրելու համար։ . Օգտագործելով բարձր գագաթնակետային էներգիա, այն կարող է արագ հալեցնել բազային նյութը՝ գործողության ցածր ժամանակով և փոքր ջերմային ազդեցության գոտում: Այն ունի առավելություններ գերբարակ նյութերի մշակման մեջ (0,5 մմ-ից ցածր);

Քվազի շարունակական լազեր (QCW): Կրկնման բարձր արագության և ցածր աշխատանքային ցիկլի պատճառով (50%-ից ցածր), իմպուլսի լայնությունըQCW լազերհասնում է 50 us-50 ms-ի՝ լրացնելով կիլովատ մակարդակի շարունակական մանրաթելային լազերի և Q-անջատող իմպուլսային լազերի միջև եղած բացը. Քվազի շարունակական օպտիկամանրաթելային լազերի գագաթնակետային հզորությունը կարող է հասնել 10 անգամ միջին հզորության շարունակական ռեժիմում աշխատելու դեպքում: QCW լազերները սովորաբար ունենում են երկու ռեժիմ, մեկը՝ շարունակական եռակցում ցածր հզորությամբ, իսկ մյուսը՝ իմպուլսային լազերային եռակցում միջին հզորությունից 10 անգամ գերազանցող գագաթնակետային հզորությամբ, որը կարող է հասնել ավելի հաստ նյութերի և ավելի շատ ջերմային եռակցման, միաժամանակ վերահսկելով ջերմությունը շատ փոքր միջակայք;

Շարունակական լազեր (CW): Սա ամենից հաճախ օգտագործվողն է, և շուկայում հայտնաբերված լազերների մեծ մասը CW լազերներ են, որոնք անընդհատ լազեր են թողարկում եռակցման մշակման համար: Օպտիկամանրաթելային լազերները բաժանվում են մեկ ռեժիմի և բազմաֆունկցիոնալ լազերների՝ ըստ միջուկի տարբեր տրամագծերի և ճառագայթների որակների, և կարող են հարմարեցվել կիրառման տարբեր սցենարներին: