Mengapa kita perlu mengetahui prinsip kerja laser?
Memahami perbedaan antara laser semikonduktor, serat optik, cakram, danLaser YAGjuga dapat membantu untuk mendapatkan pemahaman yang lebih baik dan terlibat dalam diskusi yang lebih mendalam selama proses seleksi.
Artikel ini terutama berfokus pada sains populer: pengantar singkat tentang prinsip pembangkitan laser, struktur utama laser, dan beberapa jenis laser yang umum.
Pertama-tama, prinsip pembangkitan laser.
Laser dihasilkan melalui interaksi antara cahaya dan materi, yang dikenal sebagai amplifikasi radiasi terstimulasi; Memahami amplifikasi radiasi terstimulasi membutuhkan pemahaman tentang konsep Einstein mengenai emisi spontan, penyerapan terstimulasi, dan radiasi terstimulasi, serta beberapa landasan teoretis yang diperlukan.
Dasar Teoretis 1: Model Bohr
Model Bohr terutama memberikan struktur internal atom, sehingga memudahkan pemahaman bagaimana laser terjadi. Sebuah atom terdiri dari inti dan elektron di luar inti, dan orbital elektron tidak sembarangan. Elektron hanya memiliki orbital tertentu, di antaranya orbital terdalam disebut keadaan dasar; Jika elektron berada dalam keadaan dasar, energinya paling rendah. Jika elektron melompat keluar dari suatu orbital, itu disebut keadaan tereksitasi pertama, dan energi keadaan tereksitasi pertama akan lebih tinggi daripada keadaan dasar; Orbital lain disebut keadaan tereksitasi kedua;
Alasan mengapa laser dapat terjadi adalah karena elektron akan bergerak dalam orbit yang berbeda dalam model ini. Jika elektron menyerap energi, mereka dapat berpindah dari keadaan dasar ke keadaan tereksitasi; jika elektron kembali dari keadaan tereksitasi ke keadaan dasar, ia akan melepaskan energi, yang sering dilepaskan dalam bentuk laser.
Dasar Teoretis 2: Teori Radiasi Terstimulasi Einstein
Pada tahun 1917, Einstein mengusulkan teori radiasi terstimulasi, yang merupakan dasar teoritis untuk laser dan produksi laser: penyerapan atau emisi materi pada dasarnya adalah hasil interaksi antara medan radiasi dan partikel-partikel yang membentuk materi, dan inti sarinya adalah transisi partikel antar tingkat energi yang berbeda. Terdapat tiga proses berbeda dalam interaksi antara cahaya dan materi: emisi spontan, emisi terstimulasi, dan penyerapan terstimulasi. Untuk sistem yang mengandung sejumlah besar partikel, ketiga proses ini selalu ada bersamaan dan saling terkait erat.
Emisi spontan:
Seperti yang 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 spontan dan tidak saling terkait ini disebut transisi spontan, dan gelombang cahaya yang dipancarkan oleh transisi spontan disebut radiasi spontan.
Karakteristik emisi spontan: Setiap foton bersifat independen, dengan arah dan fase yang berbeda, dan waktu kemunculannya juga acak. Ini termasuk cahaya yang tidak koheren dan kacau, yang bukan cahaya yang dibutuhkan oleh laser. Oleh karena itu, proses pembangkitan laser perlu mengurangi jenis cahaya hamburan ini. Ini juga merupakan salah satu alasan mengapa panjang gelombang berbagai laser memiliki cahaya hamburan. Jika dikontrol dengan baik, proporsi emisi spontan dalam laser dapat diabaikan. Semakin murni laser, seperti 1060 nm, maka seluruh panjang gelombangnya adalah 1060 nm. Jenis laser ini memiliki tingkat penyerapan dan daya yang relatif stabil.
Penyerapan terstimulasi:
Elektron pada tingkat energi rendah (orbital rendah), setelah menyerap foton, bertransisi ke tingkat energi yang lebih tinggi (orbital tinggi), dan proses ini disebut absorpsi terstimulasi. Absorpsi terstimulasi sangat penting dan merupakan salah satu proses pemompaan utama. Sumber pompa laser menyediakan energi foton untuk menyebabkan partikel dalam medium penguatan bertransisi dan menunggu radiasi terstimulasi pada tingkat energi yang lebih tinggi, sehingga memancarkan laser.
Radiasi terstimulasi:
Ketika disinari oleh cahaya dengan 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 eksternal. Proses ini tidak menyerap cahaya eksitasi awal, sehingga akan ada dua foton identik, yang dapat dipahami sebagai elektron yang mengeluarkan foton yang sebelumnya diserap. Proses luminesensi ini disebut radiasi terstimulasi, yang merupakan proses kebalikan dari penyerapan terstimulasi.
Setelah teori dipahami, membangun laser sangatlah mudah, seperti yang ditunjukkan pada gambar di atas: dalam kondisi normal stabilitas material, sebagian besar elektron berada dalam keadaan dasar, dan laser bergantung pada radiasi terstimulasi. Oleh karena itu, struktur laser dirancang untuk memungkinkan penyerapan terstimulasi terjadi terlebih dahulu, membawa elektron ke tingkat energi tinggi, dan kemudian memberikan eksitasi untuk menyebabkan sejumlah besar elektron tingkat energi tinggi mengalami radiasi terstimulasi, melepaskan foton. Dari sinilah laser dapat dihasilkan. Selanjutnya, kita akan membahas struktur laser.
Struktur laser:
Cocokkan struktur laser dengan kondisi pembangkitan laser yang disebutkan sebelumnya satu per satu:
Kondisi terjadinya dan struktur yang sesuai:
1. Terdapat medium penguat yang memberikan efek amplifikasi sebagai medium kerja laser, dan partikel yang diaktifkannya memiliki struktur tingkat energi yang sesuai untuk menghasilkan radiasi terstimulasi (terutama mampu memompa elektron ke orbital berenergi tinggi dan bertahan untuk jangka waktu tertentu, kemudian melepaskan foton dalam satu tarikan napas melalui radiasi terstimulasi);
2. Terdapat sumber eksitasi eksternal (sumber pompa) yang dapat memompa elektron dari tingkat bawah ke tingkat atas, menyebabkan inversi jumlah partikel antara tingkat 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 menghasilkan osilasi laser, meningkatkan panjang kerja material kerja laser, menyaring mode gelombang cahaya, mengontrol arah perambatan berkas, memperkuat frekuensi radiasi yang dirangsang secara selektif 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 medium penguatan atau berdasarkan bentuk energi laser.
Klasifikasi perolehan sedang:
Laser karbon dioksida: Medium penguat laser karbon dioksida adalah helium danLaser CO2,Dengan panjang gelombang laser 10,6 µm, yang merupakan salah satu produk laser paling awal yang diluncurkan. Pengelasan laser awal sebagian besar didasarkan pada laser karbon dioksida, yang saat ini terutama digunakan untuk pengelasan dan pemotongan bahan non-logam (kain, plastik, kayu, dll.). Selain itu, juga digunakan pada mesin litografi. Laser karbon dioksida tidak dapat ditransmisikan melalui serat optik dan merambat melalui jalur optik spasial. Pengelasan laser awal dilakukan dengan relatif baik, dan banyak peralatan pemotongan yang digunakan;
Laser YAG (yttrium aluminum garnet): Kristal YAG yang didoping dengan ion logam neodymium (Nd) atau yttrium (Yb) digunakan sebagai medium penguatan laser, dengan panjang gelombang emisi 1,06 µm. Laser YAG dapat menghasilkan pulsa yang lebih tinggi, tetapi daya rata-ratanya rendah, dan daya puncaknya dapat mencapai 15 kali daya rata-rata. Jika terutama merupakan laser pulsa, keluaran kontinu tidak dapat dicapai; Namun, laser ini dapat ditransmisikan melalui serat optik, dan pada saat yang sama, tingkat penyerapan material logam meningkat, dan mulai diterapkan pada material dengan reflektivitas tinggi, pertama kali diterapkan di bidang 3C;
Laser serat optik: Produk utama di pasaran saat ini menggunakan serat optik yang didoping iterbium sebagai medium penguat, dengan panjang gelombang 1060nm. Selanjutnya, laser ini dibagi lagi menjadi laser serat optik dan laser cakram berdasarkan bentuk mediumnya; laser serat optik mewakili IPG (Internal Power Gauge), sedangkan laser cakram mewakili Tongkuai (Tongkuai).
Laser semikonduktor: Medium penguatnya adalah sambungan PN semikonduktor, dan panjang gelombang laser semikonduktor terutama berada pada 976nm. Saat ini, laser inframerah dekat semikonduktor terutama digunakan untuk pelapis, dengan titik cahaya di atas 600um. Laserline adalah perusahaan perwakilan laser semikonduktor.
Diklasifikasikan berdasarkan bentuk aksi energi: Laser pulsa (PULSE), laser kuasi kontinu (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 material tipis tembaga dan aluminium yang berbeda, serta sebagian besar untuk pembersihan. Dengan menggunakan energi puncak yang tinggi, ia dapat dengan cepat melelehkan material dasar, dengan waktu aksi yang singkat dan zona pengaruh panas yang kecil. Ia memiliki keunggulan dalam memproses material ultra-tipis (di bawah 0,5 mm);
Laser kuasi kontinu (QCW): Karena laju pengulangan yang tinggi dan siklus kerja yang rendah (di bawah 50%), lebar pulsaLaser QCWMencapai 50 µs-50 ms, mengisi celah antara laser serat kontinu tingkat kilowatt dan laser pulsa Q-switched; Daya puncak laser serat kuasi kontinu dapat mencapai 10 kali daya rata-rata dalam mode operasi kontinu. Laser QCW umumnya memiliki dua mode, satu adalah pengelasan kontinu pada daya rendah, dan yang lainnya adalah pengelasan laser pulsa dengan daya puncak 10 kali daya rata-rata, yang dapat mencapai pengelasan material yang lebih tebal dan panas yang lebih besar, sekaligus mengontrol panas dalam rentang yang sangat kecil;
Laser Kontinu (CW): Ini adalah jenis laser yang paling umum digunakan, dan sebagian besar laser yang ada di pasaran adalah laser CW yang secara kontinu memancarkan laser untuk proses pengelasan. Laser serat optik dibagi menjadi laser mode tunggal dan mode ganda berdasarkan diameter inti dan kualitas pancaran yang berbeda, dan dapat disesuaikan dengan berbagai skenario aplikasi.
Waktu posting: 20 Desember 2023
