עקרון יצירת הלייזר

למה אנחנו צריכים לדעת את עקרון הלייזרים?

הכרת ההבדלים בין לייזרים מוליכים למחצה נפוצים, סיבים, דיסקים ולייזר YAGיכול גם לעזור להשיג הבנה טובה יותר ולעסוק בדיונים נוספים במהלך תהליך הבחירה.

המאמר מתמקד בעיקר במדע פופולרי: היכרות קצרה עם עקרון יצירת הלייזר, המבנה העיקרי של הלייזרים ומספר סוגי לייזרים נפוצים.

ראשית, העיקרון של יצירת לייזר

לייזר נוצר באמצעות האינטראקציה בין אור לחומר, המכונה הגברה של קרינה מגורה; הבנת הגברה של קרינה מעוררת דורשת הבנת המושגים של איינשטיין של פליטה ספונטנית, בליעה מעוררת וקרינה מגורה, כמו גם כמה יסודות תיאורטיים הכרחיים.

בסיס תיאורטי 1: מודל בוהר

מודל Bohr מספק בעיקר את המבנה הפנימי של אטומים, מה שמקל על ההבנה כיצד מתרחשים לייזרים. אטום מורכב מגרעין ואלקטרונים מחוץ לגרעין, והאורביטלים של אלקטרונים אינם שרירותיים. לאלקטרונים יש רק אורביטלים מסוימים, ביניהם המסלול הפנימי ביותר נקרא מצב הקרקע; אם אלקטרון נמצא במצב קרקע, האנרגיה שלו היא הנמוכה ביותר. אם אלקטרון קופץ ממסלול, הוא נקרא המצב הנרגש הראשון, והאנרגיה של המצב הנרגש הראשון תהיה גבוהה מזו של מצב הקרקע; מסלול נוסף נקרא המצב הנרגש השני;

הסיבה מדוע לייזר יכול להתרחש היא כי אלקטרונים ינועו במסלולים שונים במודל זה. אם אלקטרונים סופגים אנרגיה, הם יכולים לרוץ ממצב הקרקע למצב הנרגש; אם אלקטרון חוזר מהמצב הנרגש למצב הקרקע, הוא ישחרר אנרגיה, אשר לרוב משתחררת בצורה של לייזר.

בסיס תיאורטי 2: תיאוריית הקרינה המעוררת של איינשטיין

ב-1917 הציע איינשטיין את התיאוריה של קרינה מעוררת, שהיא הבסיס התיאורטי לייצור לייזרים וייצור לייזר: הקליטה או הפליטה של ​​החומר היא בעצם תוצאה של האינטראקציה בין שדה הקרינה לחלקיקים המרכיבים את החומר, וליבה שלו. המהות היא המעבר של חלקיקים בין רמות אנרגיה שונות. ישנם שלושה תהליכים שונים באינטראקציה בין אור לחומר: פליטה ספונטנית, פליטה מעוררת וספיגה מעוררת. עבור מערכת המכילה מספר רב של חלקיקים, שלושת התהליכים הללו תמיד מתקיימים במקביל וקשורים זה לזה.

פליטה ספונטנית:

כפי שמוצג באיור: אלקטרון ברמת האנרגיה הגבוהה E2 עובר באופן ספונטני לרמת האנרגיה הנמוכה E1 ופולט פוטון באנרגיה של hv, ו-hv=E2-E1; תהליך מעבר ספונטני ובלתי קשור זה נקרא מעבר ספונטני, וגלי האור הנפלטים ממעברים ספונטניים נקראים קרינה ספונטנית.

המאפיינים של פליטה ספונטנית: כל פוטון הוא עצמאי, בעל כיוונים ופאזות שונים, וגם זמן ההתרחשות אקראי. הוא שייך לאור לא קוהרנטי וכאוטי, שאינו האור הנדרש על ידי הלייזר. לכן, תהליך יצירת הלייזר צריך להפחית סוג זה של אור תועה. זו גם אחת הסיבות לכך שבאורך הגל של לייזרים שונים יש אור תועה. אם נשלטים היטב, ניתן להתעלם משיעור הפליטה הספונטנית בלייזר. ככל שהלייזר טהור יותר, כמו 1060 ננומטר, הוא כולו 1060 ננומטר, לסוג זה של לייזר יש קצב קליטה והספק יציבים יחסית.

ספיגה מעוררת:

אלקטרונים ברמות אנרגיה נמוכות (אורביטלים נמוכים), לאחר קליטת פוטונים, עוברים לרמות אנרגיה גבוהות יותר (אורביטלים גבוהים), ותהליך זה נקרא ספיגה מעוררת. ספיגה מעוררת היא קריטית ואחד מתהליכי השאיבה המרכזיים. מקור המשאבה של הלייזר מספק אנרגיית פוטון כדי לגרום לחלקיקים במדיום הרווח לעבור ולהמתין לקרינה מגורה ברמות אנרגיה גבוהות יותר, הפולטת את הלייזר.

קרינה מגורה:

כאשר מקרינים אותו באור האנרגיה החיצונית (hv=E2-E1), האלקטרון ברמת האנרגיה הגבוהה נרגש על ידי הפוטון החיצוני וקופץ לרמת האנרגיה הנמוכה (המסלול הגבוה עובר למסלול הנמוך). במקביל, הוא פולט פוטון זהה לחלוטין לפוטון החיצוני. תהליך זה אינו סופג את אור העירור המקורי, כך שיהיו שני פוטונים זהים, אותם ניתן להבין כשהאלקטרון פולט את הפוטון שנקלט קודם לכן, תהליך הארה זה נקרא קרינה מגורה, שהוא התהליך ההפוך של בליעה מגורה.

לאחר שהתיאוריה ברורה, פשוט מאוד לבנות לייזר, כפי שמוצג באיור לעיל: בתנאים רגילים של יציבות החומר, רובם המכריע של האלקטרונים נמצאים במצב קרקע, אלקטרונים במצב קרקע, והלייזר תלוי ב קרינה מגורה. לכן, המבנה של הלייזר הוא לאפשר לספיגה מגורה להתרחש תחילה, להביא אלקטרונים לרמת אנרגיה גבוהה, ולאחר מכן לספק עירור כדי לגרום למספר רב של אלקטרונים ברמת אנרגיה גבוהה לעבור קרינה מגורה, ולשחרר פוטונים, מכאן, ניתן להפיק לייזר. לאחר מכן, נציג את מבנה הלייזר.

מבנה לייזר:

התאימו את מבנה הלייזר לתנאי יצירת הלייזר שהוזכרו קודם לכן בזה אחר זה:

מצב ההתרחשות והמבנה המתאים:

1. ישנו מדיום רווח המספק אפקט הגברה כמדיום העבודה של הלייזר, ולחלקיקים המופעלים שלו יש מבנה ברמת אנרגיה המתאים להפקת קרינה מגורה (בעיקר מסוגל לשאוב אלקטרונים לארביטלים עתירי אנרגיה ולהתקיים לפרק זמן מסוים , ולאחר מכן לשחרר פוטונים בנשימה אחת באמצעות קרינה מגורה);

2. קיים מקור עירור חיצוני (מקור משאבה) שיכול לשאוב אלקטרונים מהמפלס התחתון למפלס העליון, ולגרום להיפוך מספר החלקיקים בין הרמה העליונה והתחתון של הלייזר (כלומר, כאשר יש יותר חלקיקים בעלי אנרגיה גבוהה מאשר חלקיקים בעלי אנרגיה נמוכה), כגון מנורת הקסנון בלייזרי YAG;

3. קיים חלל תהודה שיכול להשיג תנודת לייזר, להגדיל את אורך העבודה של חומר העבודה בלייזר, לסנן את מצב גלי האור, לשלוט בכיוון ההתפשטות של הקרן, להגביר באופן סלקטיבי את תדר הקרינה המגורה כדי לשפר את המונוכרומטיות (להבטיח שה- לייזר מופק באנרגיה מסוימת).

המבנה המקביל מוצג באיור לעיל, שהוא מבנה פשוט של לייזר YAG. מבנים אחרים עשויים להיות מורכבים יותר, אבל הליבה היא זו. תהליך יצירת הלייזר מוצג באיור:

סיווג לייזר: מסווג בדרך כלל לפי בינוני רווח או לפי צורת אנרגיית לייזר

קבל סיווג בינוני:

לייזר פחמן דו חמצני: מדיום הרווח של לייזר פחמן דו חמצני הוא הליום ולייזר CO2,עם אורך גל לייזר של 10.6um, שהוא אחד ממוצרי הלייזר המוקדמים ביותר שהושקו. ריתוך הלייזר המוקדם התבסס בעיקר על לייזר פחמן דו חמצני, המשמש כיום בעיקר לריתוך וחיתוך חומרים לא מתכתיים (בדים, פלסטיק, עץ וכו'). בנוסף, הוא משמש גם במכונות ליתוגרפיה. לייזר פחמן דו חמצני לא יכול להיות משודר דרך סיבים אופטיים והוא נע דרך נתיבים אופטיים מרחביים, הטונגקואי המוקדם ביותר נעשה בצורה טובה יחסית, והשתמשו בציוד חיתוך רב;

לייזר YAG (נופך אלומיניום yttrium): גבישי YAG מסוממים ביוני מתכת ניאודימיום (Nd) או איטריום (Yb) משמשים כמדיום הרווח בלייזר, עם אורך גל פליטה של ​​1.06um. לייזר YAG יכול להפיק פולסים גבוהים יותר, אך ההספק הממוצע נמוך, ושיא ההספק יכול להגיע לפי 15 מההספק הממוצע. אם מדובר בעיקר בלייזר דופק, לא ניתן להשיג פלט רציף; אבל זה יכול להיות מועבר דרך סיבים אופטיים, ובמקביל, קצב הספיגה של חומרי מתכת עולה, והוא מתחיל להיות מיושם בחומרים עם רפלקטיביות גבוהה, המיושמים לראשונה בתחום 3C;

לייזר סיבים: הזרם המרכזי הנוכחי בשוק משתמש בסיבים מסוממים באיטרביום כמדיום הרווח, עם אורך גל של 1060 ננומטר. הוא מחולק עוד יותר ללייזרי סיבים ודיסקים המבוססים על צורת המדיום; סיבים אופטיים מייצגים IPG, בעוד דיסק מייצג Tongkuai.

לייזר מוליכים למחצה: מדיום הרווח הוא צומת PN של מוליכים למחצה, ואורך הגל של הלייזר המוליך למחצה הוא בעיקר ב-976 ננומטר. כיום, לייזרים מוליכים למחצה כמעט אינפרא אדום משמשים בעיקר לחיפוי, עם כתמי אור מעל 600um. לייזרליין היא מיזם מייצג של לייזרים מוליכים למחצה.

מסווג לפי צורת פעולת האנרגיה: לייזר דופק (PULSE), לייזר מעין רציף (QCW), לייזר מתמשך (CW)

לייזר דופק: ננו-שניה, פיקו-שנייה, פמט-שנייה, לייזר דופק זה בתדר גבוה (ns, רוחב דופק) יכול לעתים קרובות להשיג עיבוד שיא של אנרגיית שיא, תדר גבוה (MHZ), המשמש לעיבוד חומרים דקים נחושת ואלומיניום שונים, כמו גם ניקוי בעיקר . על ידי שימוש באנרגיה שיא גבוהה, הוא יכול להמיס במהירות את חומר הבסיס, עם זמן פעולה נמוך ואזור מושפע חום קטן. יש לו יתרונות בעיבוד חומרים דקים במיוחד (מתחת ל-0.5 מ"מ);

לייזר מעין רציף (QCW): עקב קצב חזרות גבוה ומחזור עבודה נמוך (מתחת ל-50%), רוחב הדופק שללייזר QCWמגיע ל-50 us-50 ms, וממלא את הפער בין לייזר סיבים רציפים ברמת קילוואט לבין לייזר דופק עם Q-switched; הספק שיא של לייזר סיב רציף מעין יכול להגיע לפי 10 מההספק הממוצע בפעולה במצב רציף. ללייזרי QCW יש בדרך כלל שני מצבים, האחד הוא ריתוך רציף בהספק נמוך, והשני הוא ריתוך לייזר דופק עם הספק שיא של פי 10 מההספק הממוצע, מה שיכול להשיג חומרים עבים יותר ויותר ריתוך בחום, תוך שליטה בחום בתוך טווח קטן מאוד;

לייזר רציף (CW): זהו הלייזר הנפוץ ביותר, ורוב הלייזרים הנראים בשוק הם לייזרים CW המפיקים לייזר באופן רציף לעיבוד ריתוך. לייזרים סיבים מחולקים ללייזרים חד-מצביים ורב-מודים לפי קוטרי ליבה ואיכויות אלומה שונות, וניתן להתאים אותם לתרחישי יישום שונים.