Լազերային գեներացիայի սկզբունքը

Ինչո՞ւ պետք է իմանանք լազերների սկզբունքը։

Իմանալով տարածված կիսահաղորդչային լազերների, մանրաթելերի, սկավառակների ևYAG լազերկարող է նաև օգնել ավելի լավ հասկանալ և մասնակցել ավելի շատ քննարկումների ընտրության գործընթացի ընթացքում։

Հոդվածը հիմնականում կենտրոնանում է հանրամատչելի գիտության վրա՝ լազերների ստեղծման սկզբունքի, լազերների հիմնական կառուցվածքի և լազերների մի քանի տարածված տեսակների համառոտ ներածություն։

Նախ, լազերային արտադրության սկզբունքը

Լազերը ստեղծվում է լույսի և նյութի փոխազդեցության միջոցով, որը հայտնի է որպես խթանված ճառագայթման ուժեղացում։ Խթանված ճառագայթման ուժեղացումը հասկանալու համար անհրաժեշտ է հասկանալ Այնշտայնի ինքնաբուխ ճառագայթման, խթանված կլանման և խթանված ճառագայթման հասկացությունները, ինչպես նաև որոշ անհրաժեշտ տեսական հիմքեր։

Տեսական հիմք 1. Բորի մոդել

Բորի մոդելը հիմնականում ներկայացնում է ատոմների ներքին կառուցվածքը, ինչը հեշտացնում է լազերների առաջացման ըմբռնումը։ Ատոմը կազմված է միջուկից և միջուկից դուրս գտնվող էլեկտրոններից, և էլեկտրոնների օրբիտալները կամայական չեն։ Էլեկտրոններն ունեն միայն որոշակի օրբիտալներ, որոնցից ամենախորը օրբիտալը կոչվում է հիմնական վիճակ։ Եթե էլեկտրոնը գտնվում է հիմնական վիճակում, նրա էներգիան ամենացածրն է։ Եթե էլեկտրոնը դուրս է ցատկում ուղեծրից, այն կոչվում է առաջին գրգռված 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 կշարժվեն տարբեր ուղեծրերով։ Եթե էլեկտրոնները կլանեն էներգիա, նրանք կարող են հիմնական վիճակից անցնել գրգռված վիճակի։ Եթե էլեկտրոնը գրգռված վիճակից վերադառնա հիմնական վիճակի, այն կազատի էներգիա, որը հաճախ արտանետվում է լազերի տեսքով։

Տեսական հիմք 2. Այնշտայնի խթանված ճառագայթման տեսությունը

1917 թվականին Այնշտայնը առաջարկեց խթանված ճառագայթման տեսությունը, որը լազերների և լազերային արտադրության տեսական հիմքն է. նյութի կլանումը կամ ճառագայթումը, ըստ էության, ճառագայթային դաշտի և նյութը կազմող մասնիկների փոխազդեցության արդյունք է, իսկ դրա հիմնական էությունը մասնիկների անցումն է տարբեր էներգետիկ մակարդակների միջև: Լույսի և նյութի փոխազդեցության մեջ կան երեք տարբեր գործընթացներ՝ ինքնաբուխ ճառագայթում, խթանված ճառագայթում և խթանված կլանում: Մեծ թվով մասնիկներ պարունակող համակարգի համար այս երեք գործընթացները միշտ համակեցության մեջ են և սերտորեն կապված են:

Ինքնաբուխ արտանետում.

Ինչպես ցույց է տրված նկարում. բարձր էներգիայի E2 մակարդակում գտնվող էլեկտրոնը ինքնաբերաբար անցնում է ցածր էներգիայի E1 մակարդակի և արձակում է hv էներգիայով ֆոտոն, և hv=E2-E1։ Այս ինքնաբերաբար և կապ չունեցող անցման գործընթացը կոչվում է ինքնաբերաբար անցում, իսկ ինքնաբերաբար անցումներից արձակված լուսային ալիքները՝ ինքնաբերաբար ճառագայթում։

Ինքնաբուխ ճառագայթման բնութագրերը. Յուրաքանչյուր ֆոտոն անկախ է, ունի տարբեր ուղղություններ և փուլեր, և առաջացման ժամանակը նույնպես պատահական է: Այն պատկանում է անհամատեղելի և քաոսային լույսի դասին, որը լազերի համար անհրաժեշտ լույսը չէ: Հետևաբար, լազերի առաջացման գործընթացը պետք է նվազեցնի այս տեսակի թափառող լույսը: Սա նաև այն պատճառներից մեկն է, որ տարբեր լազերների ալիքի երկարությունը պարունակում է թափառող լույս: Եթե լավ վերահսկվի, լազերում ինքնաբուխ ճառագայթման համամասնությունը կարելի է անտեսել: Որքան մաքուր է լազերը, օրինակ՝ 1060 նմ, այնքան այն ամբողջությամբ 1060 նմ է: Այս տեսակի լազերն ունի համեմատաբար կայուն կլանման արագություն և հզորություն:

Խթանված կլանում.

Ցածր էներգիայի մակարդակներում գտնվող էլեկտրոնները (ցածր օրբիտալներ), ֆոտոններ կլանելուց հետո, անցնում են ավելի բարձր էներգիայի մակարդակների (բարձր օրբիտալներ), և այս գործընթացը կոչվում է խթանված կլանում: Խթանված կլանումը կարևորագույն է և պոմպային հիմնական գործընթացներից մեկը: Լազերի պոմպային աղբյուրը ապահովում է ֆոտոնային էներգիա՝ խթանող միջավայրի մասնիկներին ստիպելու անցում կատարել և սպասել խթանված ճառագայթման ավելի բարձր էներգիայի մակարդակներում՝ ճառագայթելով լազերը:

Խթանված ճառագայթում.

Երբ ճառագայթվում է արտաքին էներգիայի լույսով (hv=E2-E1), բարձր էներգիայի մակարդակում գտնվող էլեկտրոնը գրգռվում է արտաքին ֆոտոնով և ցատկում ցածր էներգիայի մակարդակ (բարձր ուղեծիրը անցնում է ցածր ուղեծիր): Միաժամանակ այն արձակում է ֆոտոն, որը բացարձակապես նույնն է, ինչ արտաքին ֆոտոնը: Այս գործընթացը չի կլանում սկզբնական գրգռման լույսը, ուստի կլինեն երկու նույնական ֆոտոններ, ինչը կարելի է հասկանալ որպես էլեկտրոնի կողմից նախկինում կլանված ֆոտոնի արտանետում: Այս լուսարձակման գործընթացը կոչվում է խթանված ճառագայթում, որը խթանված կլանման հակադարձ գործընթաց է:

Տեսությունը պարզաբանելուց հետո, լազերի կառուցումը շատ պարզ է, ինչպես ցույց է տրված վերևում նշված նկարում. նյութի կայունության նորմալ պայմաններում էլեկտրոնների մեծ մասը գտնվում է հիմնական վիճակում, էլեկտրոնները՝ հիմնական վիճակում, և լազերը կախված է խթանված ճառագայթումից: Հետևաբար, լազերի կառուցվածքը նախատեսված է այնպես, որ նախ տեղի ունենա խթանված կլանումը, էլեկտրոնները բերվեն բարձր էներգետիկ մակարդակի, ապա ապահովվի գրգռում, որը մեծ թվով բարձր էներգետիկ մակարդակի էլեկտրոններ կենթարկի խթանված ճառագայթման՝ արձակելով ֆոտոններ: Դրանից կարելի է ստանալ լազեր: Հաջորդը, մենք կներկայացնենք լազերի կառուցվածքը:

Լազերային կառուցվածք՝

Մեկ առ մեկ համապատասխանեցրեք լազերի կառուցվածքը նախկինում նշված լազերի առաջացման պայմաններին։

Առաջացման պայմանը և համապատասխան կառուցվածքը.

1. Լազերային աշխատանքային միջավայրի նման կա ուժեղացման միջավայր, որն ապահովում է ուժեղացման ազդեցություն, և դրա ակտիվացված մասնիկները ունեն խթանված ճառագայթում առաջացնելու համար հարմար էներգետիկ մակարդակի կառուցվածք (հիմնականում կարող են էլեկտրոններ մղել բարձր էներգիայի օրբիտալներ և գոյություն ունենալ որոշակի ժամանակահատվածում, ապա մեկ շնչով ֆոտոններ արտանետել խթանված ճառագայթման միջոցով):

2. Կա արտաքին գրգռման աղբյուր (պոմպի աղբյուր), որը կարող է էլեկտրոններ մղել ստորին մակարդակից վերին մակարդակ՝ առաջացնելով մասնիկների թվի ինվերսիա լազերի վերին և ստորին մակարդակների միջև (այսինքն՝ երբ բարձր էներգիայի մասնիկներն ավելի շատ են, քան ցածր էներգիայի մասնիկները), ինչպիսին է YAG լազերների քսենոնային լամպը։

3. Կա ռեզոնանսային խոռոչ, որը կարող է հասնել լազերային տատանման, մեծացնել լազերային աշխատանքային նյութի աշխատանքային երկարությունը, էկրանավորել լույսի ալիքի ռեժիմը, կառավարել ճառագայթի տարածման ուղղությունը, ընտրողաբար ուժեղացնել խթանված ճառագայթման հաճախականությունը՝ մոնոքրոմատիկությունը բարելավելու համար (ապահովելով, որ լազերը արտածվում է որոշակի էներգիայով):

Համապատասխան կառուցվածքը ցույց է տրված վերևում նշված նկարում, որը YAG լազերի պարզ կառուցվածք է: Այլ կառուցվածքները կարող են ավելի բարդ լինել, բայց միջուկը սա է: Լազերի ստեղծման գործընթացը ցույց է տրված նկարում.

Լազերի դասակարգում. սովորաբար դասակարգվում է ուժեղացման միջավայրի կամ լազերային էներգիայի ձևի միջոցով

Ստանալ միջին դասակարգում.

Ածխածնի երկօքսիդի լազերԱծխածնի երկօքսիդի լազերի ուժեղացման միջավայրը հելիումն է ևCO2 լազեր,10.6 մկմ ալիքի երկարությամբ լազերային եռակցումը, որը թողարկված ամենավաղ լազերային արտադրանքներից մեկն է: Վաղ լազերային եռակցումը հիմնականում հիմնված էր ածխաթթու գազի լազերի վրա, որն այժմ հիմնականում օգտագործվում է ոչ մետաղական նյութերի (գործվածքներ, պլաստմասսա, փայտ և այլն) եռակցման և կտրման համար: Բացի այդ, այն օգտագործվում է նաև լիտոգրաֆիկ մեքենաների վրա: Ածխաթթու գազի լազերը չի կարող փոխանցվել օպտիկական մանրաթելերի միջով և անցնում է տարածական օպտիկական ուղիներով: Վաղ Տոնգկուայը համեմատաբար լավ էր արված, և օգտագործվել է մեծ քանակությամբ կտրող սարքավորումներ:

YAG (իտրիումի ալյումինե նռնակաձուկ) լազեր. որպես լազերային ուժեղացման միջավայր օգտագործվում են նեոդիմիումի (Nd) կամ իտրիումի (Yb) մետաղական իոններով լեգիրված YAG բյուրեղներ՝ 1.06 մկմ ճառագայթման ալիքի երկարությամբ: YAG լազերը կարող է արտածել ավելի բարձր իմպուլսներ, բայց միջին հզորությունը ցածր է, և գագաթնակետային հզորությունը կարող է հասնել միջին հզորության 15 անգամ: Եթե դա հիմնականում իմպուլսային լազեր է, անընդհատ արտածում հնարավոր չէ ապահովել. սակայն այն կարող է փոխանցվել օպտիկական մանրաթելերի միջոցով, և միևնույն ժամանակ մետաղական նյութերի կլանման արագությունը մեծանում է, և այն սկսում է կիրառվել բարձր անդրադարձունակության նյութերում, առաջին անգամ կիրառվելով 3C դաշտում:

Մանրաթելային լազեր. Շուկայում ներկայումս հիմնական տեխնոլոգիան օգտագործում է իտերբիումով լեգիրված մանրաթելը որպես ուժեղացման միջավայր՝ 1060 նմ ալիքի երկարությամբ: Այն նաև բաժանվում է մանրաթելային և սկավառակային լազերների՝ միջավայրի ձևի հիման վրա. օպտիկամանրաթելայինը ներկայացնում է IPG-ն, իսկ սկավառակայինը՝ Tongkuai-ն:

Կիսահաղորդչային լազեր. ուժեղացման միջավայրը կիսահաղորդչային PN միացում է, և կիսահաղորդչային լազերի ալիքի երկարությունը հիմնականում 976 նմ է: Ներկայումս կիսահաղորդչային մոտ-ինֆրակարմիր լազերները հիմնականում օգտագործվում են ծածկույթների համար՝ 600 մկմ-ից բարձր լուսային բծերով: Laserline-ը կիսահաղորդչային լազերների ներկայացուցչական ձեռնարկություն է:

Դասակարգվում է էներգիայի ազդեցության ձևով՝ իմպուլսային լազեր (PULSE), կիսաանընդհատ լազեր (QCW), անընդհատ լազեր (CW):

Իմպուլսային լազեր. նանովայրկյան, պիկովայրկյան, ֆեմտովայրկյան, այս բարձր հաճախականության իմպուլսային լազերը (նվ, իմպուլսի լայնություն) հաճախ կարող է հասնել բարձր գագաթնակետային էներգիայի, բարձր հաճախականության (ՄՀց) մշակման, որն օգտագործվում է բարակ պղնձի և ալյումինի տարբեր նյութերի մշակման, ինչպես նաև հիմնականում մաքրման համար: Բարձր գագաթնակետային էներգիա օգտագործելով՝ այն կարող է արագ հալեցնել հիմնական նյութը՝ կարճ գործողության ժամանակով և փոքր ջերմային ազդեցության գոտում: Այն առավելություններ ունի գերբարակ նյութերի մշակման մեջ (0.5 մմ-ից ցածր):

Կիսաճշգրիտ անընդհատ լազեր (QCW): Բարձր կրկնության հաճախականության և ցածր աշխատանքային ցիկլի (50%-ից ցածր) շնորհիվ իմպուլսի լայնությունըQCW լազերհասնում է 50 մԱ-50 մվրկ-ի՝ լրացնելով կիլովատտ մակարդակի անընդհատ մանրաթելային լազերի և Q-անջատիչ իմպուլսային լազերի միջև եղած բացը։ Կիսով չափ անընդհատ մանրաթելային լազերի գագաթնակետային հզորությունը անընդհատ ռեժիմով աշխատանքի դեպքում կարող է հասնել միջին հզորության 10 անգամ գերազանցող միջին հզորության։ QCW լազերները սովորաբար ունեն երկու ռեժիմ՝ մեկը ցածր հզորությամբ անընդհատ եռակցումն է, իսկ մյուսը՝ միջին հզորության 10 անգամ գերազանցող գագաթնակետային հզորությամբ իմպուլսային լազերային եռակցումը, որը կարող է ապահովել ավելի հաստ նյութերի և ավելի շատ ջերմային եռակցում՝ միաժամանակ կարգավորելով ջերմությունը շատ փոքր տիրույթում։

Անընդհատ լազեր (CW). Սա ամենատարածվածն է, և շուկայում հանդիպող լազերների մեծ մասը CW լազերներ են, որոնք անընդհատ լազեր են արձակում եռակցման մշակման համար: Մանրաթելային լազերները բաժանվում են միառեժիմ և բազմառեժիմ լազերների՝ ըստ միջուկի տարբեր տրամագծերի և ճառագայթի որակի, և կարող են հարմարեցվել տարբեր կիրառման սցենարների: