Mengapa kita perlu mengetahui prinsip laser?
Mengetahui perbedaan antara laser semikonduktor umum, serat, cakram, danlaser YAGjuga dapat membantu untuk mendapatkan pemahaman yang lebih baik dan terlibat dalam lebih banyak diskusi selama proses seleksi.
Artikel ini terutama berfokus pada sains populer: pengenalan singkat tentang prinsip pembangkitan laser, struktur utama laser, dan beberapa jenis laser yang umum.
Pertama, prinsip pembangkitan laser
Laser dihasilkan melalui interaksi antara cahaya dan materi, yang dikenal sebagai amplifikasi radiasi terstimulasi; Memahami amplifikasi radiasi terstimulasi memerlukan pemahaman konsep Einstein tentang emisi spontan, penyerapan terstimulasi, dan radiasi terstimulasi, serta beberapa landasan teori yang diperlukan.
Landasan Teori 1: Model Bohr
Model Bohr terutama menyediakan struktur internal atom, sehingga mudah untuk memahami bagaimana laser terjadi. Sebuah atom terdiri dari inti dan elektron di luar inti, dan orbital elektron tidak sembarangan. Elektron hanya mempunyai orbital tertentu, di antaranya orbital terdalam disebut keadaan dasar; Jika elektron berada pada keadaan dasar, energinya paling rendah. Jika sebuah elektron melompat keluar dari orbitnya, maka disebut keadaan tereksitasi pertama, dan energi keadaan tereksitasi pertama akan lebih tinggi daripada energi keadaan dasar; Orbit lain disebut keadaan tereksitasi kedua;
Alasan mengapa laser dapat terjadi adalah karena elektron akan bergerak pada orbit yang berbeda dalam model ini. Jika elektron menyerap energi, elektron dapat berpindah dari keadaan dasar ke keadaan tereksitasi; Jika elektron kembali dari keadaan tereksitasi ke keadaan dasar, elektron tersebut akan melepaskan energi, yang sering kali dilepaskan dalam bentuk laser.
Landasan Teori 2: Teori Radiasi Terstimulasi Einstein
Pada tahun 1917, Einstein mengajukan teori radiasi terstimulasi, yang merupakan landasan teori untuk laser dan produksi laser: penyerapan atau emisi materi pada dasarnya adalah hasil interaksi antara medan radiasi dan partikel penyusun materi, serta intinya. esensinya adalah transisi partikel antara tingkat energi yang berbeda. Ada tiga proses berbeda dalam interaksi antara cahaya dan materi: emisi spontan, emisi terstimulasi, dan penyerapan terstimulasi. Untuk sistem yang mengandung partikel dalam jumlah besar, ketiga proses ini selalu hidup berdampingan dan berkaitan erat.
Emisi spontan:
Seperti ditunjukkan pada gambar: sebuah elektron pada tingkat energi tinggi E2 secara spontan bertransisi ke tingkat energi rendah E1 dan memancarkan foton dengan energi hv, dan hv=E2-E1; Proses transisi yang spontan dan tidak berhubungan ini disebut transisi spontan, dan gelombang cahaya yang dipancarkan oleh transisi spontan disebut radiasi spontan.
Ciri-ciri emisi spontan: Setiap foton bersifat independen, dengan arah dan fase yang berbeda-beda, dan waktu terjadinya juga acak. Itu termasuk cahaya yang tidak koheren dan kacau, yang bukan merupakan cahaya yang dibutuhkan oleh laser. Oleh karena itu, proses pembangkitan laser perlu mengurangi jenis cahaya nyasar ini. Ini juga salah satu alasan mengapa panjang gelombang berbagai laser memiliki cahaya yang menyimpang. Jika dikontrol dengan baik, proporsi emisi spontan pada laser dapat diabaikan. Semakin murni lasernya, misalnya 1060 nm, semuanya 1060 nm. Laser jenis ini memiliki tingkat penyerapan dan daya yang relatif stabil.
Penyerapan terstimulasi:
Elektron pada tingkat energi rendah (orbital rendah), setelah menyerap foton, berpindah ke tingkat energi yang lebih tinggi (orbital tinggi), dan proses ini disebut penyerapan terstimulasi. Penyerapan yang terstimulasi sangat penting dan salah satu proses pemompaan utama. Sumber pompa laser menyediakan energi foton untuk menyebabkan partikel dalam media penguatan bertransisi dan menunggu radiasi terstimulasi pada tingkat energi yang lebih tinggi, lalu memancarkan laser.
Radiasi terstimulasi:
Ketika disinari oleh cahaya energi eksternal (hv=E2-E1), elektron pada tingkat energi tinggi tereksitasi oleh foton eksternal dan melompat ke tingkat energi rendah (orbit tinggi menuju orbit rendah). Pada saat yang sama, ia memancarkan foton yang persis sama dengan foton luar. Proses ini tidak menyerap cahaya eksitasi aslinya, sehingga akan timbul dua foton yang identik, yang dapat dipahami sebagai elektron yang mengeluarkan foton yang sebelumnya diserap. Proses pendaran ini disebut radiasi terstimulasi, yang merupakan proses kebalikan dari penyerapan terstimulasi.
Setelah teorinya jelas, membuat laser menjadi sangat sederhana, seperti yang ditunjukkan pada gambar di atas: dalam kondisi normal stabilitas material, sebagian besar elektron berada dalam keadaan dasar, elektron dalam keadaan dasar, dan laser bergantung pada radiasi terstimulasi. Oleh karena itu, struktur laser adalah memungkinkan terjadinya penyerapan terstimulasi terlebih dahulu, membawa elektron ke tingkat energi tinggi, dan kemudian memberikan eksitasi yang menyebabkan sejumlah besar elektron tingkat energi tinggi mengalami radiasi terstimulasi, melepaskan foton, Dari sini, laser dapat dihasilkan. Selanjutnya, kami akan memperkenalkan struktur laser.
Struktur laser:
Cocokkan struktur laser dengan kondisi pembangkitan laser yang disebutkan sebelumnya satu per satu:
Kondisi terjadinya dan struktur terkait:
1. Terdapat media penguatan yang memberikan efek amplifikasi sebagai media kerja laser, dan partikel teraktivasinya memiliki struktur tingkat energi yang sesuai untuk menghasilkan radiasi terstimulasi (terutama mampu memompa elektron ke orbital berenergi tinggi dan bertahan dalam jangka waktu tertentu). , dan kemudian melepaskan foton dalam satu tarikan napas melalui radiasi terstimulasi);
2. Terdapat sumber eksitasi eksternal (sumber pompa) yang dapat memompa elektron dari level bawah ke level atas, menyebabkan inversi nomor partikel antara level atas dan bawah laser (yaitu, ketika terdapat lebih banyak partikel berenergi tinggi daripada partikel berenergi rendah), seperti lampu xenon pada laser YAG;
3. Terdapat rongga resonansi yang dapat mencapai osilasi laser, meningkatkan panjang kerja bahan kerja laser, menyaring mode gelombang cahaya, mengontrol arah rambat sinar, secara selektif memperkuat frekuensi radiasi terstimulasi untuk meningkatkan monokromatisitas (memastikan bahwa laser dikeluarkan pada energi tertentu).
Struktur yang sesuai ditunjukkan pada gambar di atas, yang merupakan struktur sederhana dari laser YAG. Struktur lain mungkin lebih kompleks, tetapi intinya adalah ini. Proses pembangkitan laser ditunjukkan pada gambar:
Klasifikasi laser: umumnya diklasifikasikan berdasarkan media penguatan atau bentuk energi laser
Dapatkan klasifikasi sedang:
Laser karbon dioksida: Media penguatan laser karbon dioksida adalah helium danlaser CO2,dengan panjang gelombang laser 10,6um, yang merupakan salah satu produk laser paling awal yang diluncurkan. Pengelasan laser awal terutama didasarkan pada laser karbon dioksida, yang saat ini terutama digunakan untuk mengelas dan memotong bahan non-logam (kain, plastik, kayu, dll.). Selain itu juga digunakan pada mesin litografi. Laser karbon dioksida tidak dapat ditransmisikan melalui serat optik dan bergerak melalui jalur optik spasial. Tongkuai paling awal dibuat dengan relatif baik, dan banyak peralatan pemotongan digunakan;
Laser YAG (yttrium aluminium garnet): Kristal YAG yang diolah dengan ion logam neodymium (Nd) atau yttrium (Yb) digunakan sebagai media penguatan laser, dengan panjang gelombang emisi 1,06um. Laser YAG dapat menghasilkan pulsa yang lebih tinggi, tetapi daya rata-ratanya rendah, dan daya puncaknya dapat mencapai 15 kali daya rata-rata. Jika ini terutama laser pulsa, keluaran berkelanjutan tidak dapat dicapai; Namun dapat ditransmisikan melalui serat optik, dan pada saat yang sama, laju penyerapan bahan logam meningkat, dan mulai diterapkan pada bahan dengan reflektifitas tinggi, pertama kali diterapkan di bidang 3C;
Laser serat: Arus utama di pasar saat ini menggunakan serat doped ytterbium sebagai media penguatan, dengan panjang gelombang 1060nm. Ini dibagi lagi menjadi laser serat dan cakram berdasarkan bentuk medianya; Serat optik melambangkan IPG, sedangkan cakram melambangkan Tongkuai.
Laser semikonduktor: Media penguatannya adalah sambungan PN semikonduktor, dan panjang gelombang laser semikonduktor terutama pada 976nm. Saat ini, laser inframerah-dekat semikonduktor terutama digunakan untuk pelapisan, dengan titik cahaya di atas 600um. Laserline adalah perusahaan perwakilan laser semikonduktor.
Diklasifikasikan berdasarkan bentuk aksi energi: Laser pulsa (PULSE), laser kontinu kuasi (QCW), laser kontinu (CW)
Laser pulsa: nanodetik, pikodetik, femtodetik, laser pulsa frekuensi tinggi ini (ns, lebar pulsa) seringkali dapat mencapai energi puncak tinggi, pemrosesan frekuensi tinggi (MHZ), digunakan untuk memproses bahan tembaga tipis dan aluminium yang berbeda, serta sebagian besar pembersihan . Dengan menggunakan energi puncak yang tinggi, material dasar dapat dengan cepat meleleh, dengan waktu aksi yang rendah dan zona pengaruh panas yang kecil. Ia memiliki keunggulan dalam memproses bahan ultra-tipis (di bawah 0,5 mm);
Laser kuasi kontinu (QCW): Karena tingkat pengulangan yang tinggi dan siklus kerja yang rendah (di bawah 50%), lebar pulsalaser QCWmencapai 50 us-50 ms, mengisi kesenjangan antara laser serat kontinu tingkat kilowatt dan laser pulsa Q-switched; Kekuatan puncak laser serat kuasi kontinyu dapat mencapai 10 kali daya rata-rata dalam pengoperasian mode kontinyu. Laser QCW umumnya memiliki dua mode, satu adalah pengelasan kontinu dengan daya rendah, dan yang lainnya adalah pengelasan laser berdenyut dengan daya puncak 10 kali daya rata-rata, yang dapat menghasilkan material yang lebih tebal dan pengelasan panas yang lebih banyak, sekaligus mengontrol panas dalam a jangkauan yang sangat kecil;
Laser Berkelanjutan (CW): Ini adalah yang paling umum digunakan, dan sebagian besar laser yang terlihat di pasaran adalah laser CW yang terus menerus mengeluarkan laser untuk proses pengelasan. Laser serat dibagi menjadi laser mode tunggal dan multi-mode sesuai dengan diameter inti dan kualitas sinar yang berbeda, dan dapat disesuaikan dengan skenario aplikasi yang berbeda.
Waktu posting: 20 Des-2023
