עקרון יצירת הלייזר

למה אנחנו צריכים לדעת את עקרון הפעולה של לייזרים?

הכרת ההבדלים בין לייזרים נפוצים של מוליכים למחצה, סיבים, דיסקים ו...לייזר YAGיכול גם לעזור להשיג הבנה טובה יותר ולשתף פעולה בדיונים נוספים במהלך תהליך הבחירה.

המאמר מתמקד בעיקר במדע פופולרי: מבוא קצר לעקרון יצירת הלייזר, המבנה העיקרי של לייזרים, וכמה סוגים נפוצים של לייזרים.

ראשית, עקרון יצירת הלייזר

לייזר נוצר באמצעות אינטראקציה בין אור לחומר, המכונה הגברת קרינה מגורה; הבנת הגברת קרינה מגורה דורשת הבנת מושגי הפליטה הספונטנית, הבליעה המגורה והקרינה המגורה של איינשטיין, כמו גם כמה יסודות תיאורטיים הכרחיים.

בסיס תיאורטי 1: מודל בוהר

מודל בוהר מספק בעיקר את המבנה הפנימי של האטומים, מה שמקל על הבנת האופן שבו לייזרים מתרחשים. אטום מורכב מגרעין ואלקטרונים מחוץ לגרעין, והאורביטלים של האלקטרונים אינם שרירותיים. לאלקטרונים יש רק אורביטלים מסוימים, שביניהם האורביטל הפנימי ביותר נקרא מצב היסוד; אם אלקטרון נמצא במצב היסוד, האנרגיה שלו היא הנמוכה ביותר. אם אלקטרון קופץ ממסלול, הוא נקרא המצב המעורר הראשון, והאנרגיה של המצב המעורר הראשון תהיה גבוהה יותר מזו של מצב היסוד; מסלול אחר נקרא המצב המעורר השני;

הסיבה לכך שלייזר יכול להופיע היא מכיוון שאלקטרונים ינועו במסלולים שונים במודל זה. אם אלקטרונים סופגים אנרגיה, הם יכולים לנוע ממצב יסוד למצב מעורר; אם אלקטרון חוזר ממצב מעורר למצב יסוד, הוא ישחרר אנרגיה, אשר לעתים קרובות משתחררת בצורת לייזר.

בסיס תיאורטי 2: תיאוריית הקרינה המגורה של איינשטיין

בשנת 1917, איינשטיין הציע את תיאוריית הקרינה המגורה, שהיא הבסיס התאורטי ללייזרים ולייצור לייזרים: בליעה או פליטה של ​​חומר היא למעשה תוצאה של האינטראקציה בין שדה הקרינה לחלקיקים המרכיבים את החומר, ומהותה העיקרית היא המעבר של חלקיקים בין רמות אנרגיה שונות. ישנם שלושה תהליכים שונים באינטראקציה בין אור לחומר: פליטה ספונטנית, פליטה מגורה ובליעה מגורה. עבור מערכת המכילה מספר רב של חלקיקים, שלושת התהליכים הללו תמיד מתקיימים יחד וקשורים זה לזה באופן הדוק.

פליטה ספונטנית:

כפי שמוצג באיור: אלקטרון ברמה בעלת אנרגיה גבוהה E2 עובר באופן ספונטני לרמה בעלת אנרגיה נמוכה E1 ופולט פוטון בעל אנרגיה של hv, ו- hv=E2-E1; תהליך מעבר ספונטני ולא קשור זה נקרא מעבר ספונטני, וגלי האור הנפלטים ממעברים ספונטניים נקראים קרינה ספונטנית.

מאפייני פליטה ספונטנית: כל פוטון הוא בלתי תלוי, עם כיוונים ופאזות שונים, וגם זמן ההופעה שלו אקראי. הוא שייך לאור לא קוהרנטי וכאוטי, שאינו האור הנדרש על ידי הלייזר. לכן, תהליך יצירת הלייזר צריך להפחית סוג זה של אור תועה. זוהי גם אחת הסיבות לכך שאורך הגל של לייזרים שונים מכיל אור תועה. אם נשלט היטב, ניתן להתעלם משיעור הפליטה הספונטנית בלייזר. ככל שהלייזר טהור יותר, כמו 1060 ננומטר, כל הלייזר הוא 1060 ננומטר. לסוג זה של לייזר יש קצב ספיגה ועוצמה יציבים יחסית.

ספיגה מגורה:

אלקטרונים ברמות אנרגיה נמוכות (אורביטלים נמוכים), לאחר בליעת פוטונים, עוברים לרמות אנרגיה גבוהות יותר (אורביטלים גבוהים), ותהליך זה נקרא בליעה מגורה. בליעה מגורה היא קריטית ואחד מתהליכי השאיבה המרכזיים. מקור השאיבה של הלייזר מספק אנרגיית פוטון כדי לגרום לחלקיקים בתווך ההגבר לעבור ולהמתין לקרינה מגורה ברמות אנרגיה גבוהות יותר, ולפלוט את הלייזר.

קרינה מגורה:

כאשר האלקטרון מוקרן באור בעל אנרגיה חיצונית (hv=E2-E1), הוא ברמת האנרגיה הגבוהה מעורר את הפוטון החיצוני וקופץ לרמת האנרגיה הנמוכה (המסלול הגבוה עובר למסלול הנמוך). במקביל, הוא פולט פוטון זהה לחלוטין לפוטון החיצוני. תהליך זה אינו בולע את אור העירור המקורי, כך שיהיו שני פוטונים זהים, שניתן להבין זאת כאלקטרון יורק את הפוטון שנבלע קודם לכן. תהליך הארה זה נקרא קרינה מגורה, שהוא תהליך הפוך של בליעה מגורה.

לאחר שהתיאוריה ברורה, פשוט מאוד לבנות לייזר, כפי שמוצג באיור לעיל: בתנאים רגילים של יציבות חומר, הרוב המכריע של האלקטרונים נמצאים במצב יסוד, האלקטרונים במצב יסוד, והלייזר תלוי בקרינה מגורה. לכן, מבנה הלייזר הוא לאפשר תחילה לבליעה מגורה, להביא אלקטרונים לרמת אנרגיה גבוהה, ולאחר מכן לספק עירור שגורם למספר גדול של אלקטרונים ברמת אנרגיה גבוהה לעבור קרינה מגורה, ולשחרר פוטונים. מכאן ניתן לייצר לייזר. לאחר מכן, נציג את מבנה הלייזר.

מבנה לייזר:

התאם את מבנה הלייזר לתנאי יצירת הלייזר שהוזכרו קודם לכן אחד אחד:

תנאי התרחשות ומבנה מתאים:

1. ישנו מדיום הגברה המספק אפקט הגברה כמדיום עבודה של הלייזר, ולחלקיקים המופעלים שלו יש מבנה רמת אנרגיה המתאים ליצירת קרינה מגורה (הם מסוגלים בעיקר לשאוב אלקטרונים לאורביטלים בעלי אנרגיה גבוהה ולהתקיים למשך פרק זמן מסוים, ולאחר מכן לשחרר פוטונים בנשימה אחת באמצעות קרינה מגורה);

2. קיים מקור עירור חיצוני (מקור משאבה) שיכול לשאוב אלקטרונים מהרמה התחתונה לרמה העליונה, ולגרום להיפוך מספר החלקיקים בין הרמה העליונה והתחתונה של הלייזר (כלומר, כאשר יש יותר חלקיקים בעלי אנרגיה גבוהה מאשר חלקיקים בעלי אנרגיה נמוכה), כגון מנורת קסנון בלייזרי YAG;

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

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

סיווג לייזר: מסווג בדרך כלל לפי מדיום הגברה או לפי צורת אנרגיית לייזר

סיווג בינוני של רווח:

לייזר פחמן דו-חמצניאמצעי ההגבר של לייזר פחמן דו-חמצני הוא הליום ולייזר CO2,עם אורך גל לייזר של 10.6 מיקרון, שהוא אחד ממוצרי הלייזר הראשונים 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 אינו יכול לעבור דרך סיבים אופטיים ועובר דרך נתיבים אופטיים מרחביים. טונגקואי המוקדם ביותר בוצע יחסית טוב, והיה שימוש בציוד חיתוך רב;

לייזר YAG (איטריום אלומיניום גארנט): גבישי YAG מסוממים ביוני מתכת ניאודימיום (Nd) או איטריום (Yb) משמשים כמדיום הגברת לייזר, עם אורך גל פליטה של ​​1.06 מיקרון. לייזר YAG יכול להפיק פולסים גבוהים יותר, אך ההספק הממוצע נמוך, והספק השיא יכול להגיע לפי 15 מההספק הממוצע. אם מדובר בעיקר בלייזר פולסים, לא ניתן להשיג פלט רציף; אך ניתן להעביר אותו דרך סיבים אופטיים, ובמקביל, קצב הספיגה של חומרי מתכת עולה, והוא מתחיל להיות מיושם בחומרים בעלי רפלקטיביות גבוהה, מיושם לראשונה בתחום 3C;

לייזר סיבים: השוק המרכזי כיום משתמש בסיבים מסוממים באיטביום כתווך הגברה, עם אורך גל של 1060 ננומטר. הוא מחולק עוד יותר ללייזרי סיבים וללייזרי דיסק בהתבסס על צורת התווך; סיב אופטי מייצג IPG, בעוד דיסק מייצג Tongkuai.

לייזר מוליך למחצה: תווך ההגבר הוא צומת PN מוליך למחצה, ואורך הגל של לייזר המוליך למחצה הוא בעיקר 976 ננומטר. כיום, לייזרים אינפרא אדום קרובים מוליכים למחצה משמשים בעיקר לחיפוי, עם נקודות אור מעל 600 מיקרון. לייזרליין היא חברה מייצגת של לייזרים מוליכים למחצה.

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

לייזר פולס: ננו-שנייה, פיקו-שנייה, פמטו-שנייה, לייזר פולס בתדר גבוה (ns, רוחב פולס) זה יכול להשיג לעתים קרובות אנרגיית שיא גבוהה, עיבוד בתדר גבוה (MHZ), ומשמש לעיבוד חומרים דקים מנחושת ואלומיניום, וכן לניקוי בעיקר. באמצעות אנרגיית שיא גבוהה, הוא יכול להמיס במהירות את חומר הבסיס, עם זמן פעולה קצר ואזור מושפע חום קטן. יש לו יתרונות בעיבוד חומרים דקים במיוחד (מתחת ל-0.5 מ"מ);

לייזר קוואזי רציף (QCW): בשל קצב חזרות גבוה ומחזור עבודה נמוך (מתחת ל-50%), רוחב הפולס שללייזר QCWמגיע ל-50 us-50 ms, וממלא את הפער בין לייזר סיבים רציף ברמת קילוואט לבין לייזר פולסים Q-switched; שיא ההספק של לייזר סיבים קוואזי רציף יכול להגיע פי 10 מההספק הממוצע במצב פעולה רציף. ללייזרי QCW יש בדרך כלל שני מצבים, האחד הוא ריתוך רציף בהספק נמוך, והשני הוא ריתוך לייזר פולסים עם הספק שיא של פי 10 מההספק הממוצע, שיכול להשיג חומרים עבים יותר וריתוך בחום רב יותר, תוך שליטה בחום בטווח קטן מאוד;

לייזר רציף (CW): זהו הלייזר הנפוץ ביותר, ורוב הלייזרים הנראים בשוק הם לייזרים CW המפיקים לייזר רציף לעיבוד ריתוך. לייזרי סיבים מחולקים ללייזרים חד-מצביים ורב-מצביים בהתאם לקוטר ליבה שונים ואיכויות הקרן, וניתן להתאים אותם לתרחישי יישום שונים.