Nguyên lý tạo ra tia laser

Tại sao chúng ta cần biết nguyên lý của tia laser?

Biết được sự khác biệt giữa các loại laser bán dẫn thông thường, sợi quang, đĩa vàLaser YAGcũng có thể giúp hiểu rõ hơn và tham gia vào nhiều cuộc thảo luận hơn trong quá trình lựa chọn.

Bài viết chủ yếu tập trung vào khoa học phổ thông: giới thiệu ngắn gọn về nguyên lý tạo ra tia laser, cấu trúc chính của tia laser và một số loại tia laser phổ biến.

Thứ nhất, nguyên lý tạo ra tia laser

Laser được tạo ra thông qua sự tương tác giữa ánh sáng và vật chất, được gọi là khuếch đại bức xạ kích thích; Để hiểu được sự khuếch đại bức xạ kích thích đòi hỏi phải hiểu các khái niệm về phát xạ tự phát, hấp thụ kích thích và bức xạ kích thích của Einstein, cũng như một số cơ sở lý thuyết cần thiết.

Cơ sở lý thuyết 1: Mô hình Bohr

Mô hình Bohr chủ yếu cung cấp cấu trúc bên trong của các nguyên tử, giúp chúng ta dễ dàng hiểu được tia laser xuất hiện như thế nào. Nguyên tử bao gồm một hạt nhân và các electron bên ngoài hạt nhân, quỹ đạo của các electron không phải là tùy ý. Electron chỉ có một số quỹ đạo nhất định, trong đó quỹ đạo trong cùng được gọi là trạng thái cơ bản; Nếu electron ở trạng thái cơ bản thì năng lượng của nó là thấp nhất. Nếu electron nhảy ra khỏi quỹ đạo thì gọi là trạng thái kích thích thứ nhất, năng lượng ở trạng thái kích thích thứ nhất sẽ cao hơn năng lượng ở trạng thái cơ bản; Một quỹ đạo khác được gọi là trạng thái kích thích thứ hai;

Lý do tại sao tia laser có thể xảy ra là do các electron sẽ chuyển động theo những quỹ đạo khác nhau trong mô hình này. Nếu các electron hấp thụ năng lượng, chúng có thể chuyển từ trạng thái cơ bản sang trạng thái kích thích; Nếu một electron chuyển từ trạng thái kích thích về trạng thái cơ bản, nó sẽ giải phóng năng lượng, năng lượng này thường được giải phóng dưới dạng tia laser.

Cơ sở lý thuyết 2: Lý thuyết bức xạ kích thích của Einstein

Năm 1917, Einstein đề xuất lý thuyết về bức xạ kích thích, đây là cơ sở lý thuyết cho tia laser và sản xuất tia laser: sự hấp thụ hoặc phát xạ của vật chất về cơ bản là kết quả của sự tương tác giữa trường bức xạ với các hạt cấu tạo nên vật chất và lõi của nó. bản chất là sự chuyển tiếp của các hạt giữa các mức năng lượng khác nhau. Có ba quá trình khác nhau trong sự tương tác giữa ánh sáng và vật chất: phát xạ tự phát, phát xạ kích thích và hấp thụ kích thích. Đối với một hệ chứa số lượng lớn hạt, ba quá trình này luôn cùng tồn tại và liên quan chặt chẽ với nhau.

Phát xạ tự phát:

Như thể hiện trên hình: một electron ở mức năng lượng cao E2 tự động chuyển sang mức năng lượng thấp E1 và phát ra một photon có năng lượng hv và hv=E2-E1; Quá trình chuyển tiếp tự phát và không liên quan này được gọi là quá trình chuyển đổi tự phát, và sóng ánh sáng phát ra từ các chuyển tiếp tự phát được gọi là bức xạ tự phát.

Đặc điểm của sự phát xạ tự phát: Mỗi photon là độc lập, có hướng và pha khác nhau, thời gian xuất hiện cũng ngẫu nhiên. Nó thuộc về ánh sáng không mạch lạc và hỗn loạn, không phải là ánh sáng mà tia laser yêu cầu. Vì vậy, quá trình tạo ra tia laser cần phải giảm loại ánh sáng lạc này. Đây cũng là một trong những lý do tại sao bước sóng của các loại tia laser khác nhau có ánh sáng lạc. Nếu được kiểm soát tốt, tỷ lệ phát xạ tự phát trong laser có thể bị bỏ qua. Laser càng tinh khiết, chẳng hạn như 1060 nm thì đều là 1060 nm, Loại laser này có tốc độ hấp thụ và công suất tương đối ổn định.

Kích thích hấp thu:

Các electron ở mức năng lượng thấp (quỹ đạo thấp) sau khi hấp thụ photon sẽ chuyển sang mức năng lượng cao hơn (quỹ đạo cao) và quá trình này được gọi là hấp thụ kích thích. Sự hấp thụ được kích thích là rất quan trọng và là một trong những quá trình bơm quan trọng. Nguồn bơm của laser cung cấp năng lượng photon làm cho các hạt trong môi trường khuếch đại chuyển tiếp và chờ bức xạ kích thích ở mức năng lượng cao hơn, phát ra tia laser.

Bức xạ kích thích:

Khi bị chiếu xạ bởi ánh sáng năng lượng bên ngoài (hv=E2-E1), electron ở mức năng lượng cao bị kích thích bởi photon bên ngoài và nhảy xuống mức năng lượng thấp (quỹ đạo cao chạy xuống quỹ đạo thấp). Đồng thời, nó phát ra một photon giống hệt như photon bên ngoài. Quá trình này không hấp thụ ánh sáng kích thích ban đầu nên sẽ có 2 photon giống hệt nhau, có thể hiểu là electron phun ra photon bị hấp thụ trước đó. Quá trình phát quang này gọi là bức xạ kích thích, là quá trình ngược lại của quá trình hấp thụ kích thích.

Sau khi đã hiểu rõ lý thuyết, việc chế tạo một tia laser rất đơn giản, như thể hiện trong hình trên: trong điều kiện ổn định vật chất bình thường, phần lớn các electron ở trạng thái cơ bản, các electron ở trạng thái cơ bản và laser phụ thuộc vào bức xạ kích thích. Do đó, cấu trúc của tia laser là cho phép sự hấp thụ kích thích xảy ra trước tiên, đưa các electron lên mức năng lượng cao, sau đó tạo ra sự kích thích khiến một số lượng lớn các electron mức năng lượng cao trải qua bức xạ kích thích, giải phóng các photon, Từ đó, tia laser có thể được tạo ra. Tiếp theo, chúng tôi sẽ giới thiệu cấu trúc laser.

Cấu trúc laze:

Ghép cấu trúc laser với các điều kiện tạo ra laser được đề cập trước đó từng cái một:

Điều kiện xuất hiện và cấu trúc tương ứng:

1. Có một môi trường khuếch đại mang lại hiệu ứng khuếch đại như môi trường làm việc của laser và các hạt kích hoạt của nó có cấu trúc mức năng lượng phù hợp để tạo ra bức xạ kích thích (chủ yếu có khả năng bơm electron lên quỹ đạo năng lượng cao và tồn tại trong một khoảng thời gian nhất định , sau đó giải phóng các photon trong một hơi thở thông qua bức xạ kích thích);

2. Có một nguồn kích thích bên ngoài (nguồn bơm) có thể bơm electron từ cấp thấp lên cấp cao, gây ra sự đảo ngược số lượng hạt giữa cấp trên và cấp dưới của tia laser (tức là khi có nhiều hạt năng lượng cao hơn các hạt năng lượng thấp), chẳng hạn như đèn xenon trong laser YAG;

3. Có một khoang cộng hưởng có thể đạt được dao động laser, tăng thời gian làm việc của vật liệu làm việc bằng laser, sàng lọc chế độ sóng ánh sáng, điều khiển hướng truyền của chùm tia, khuếch đại có chọn lọc tần số bức xạ kích thích để cải thiện tính đơn sắc (đảm bảo rằng tia laser được phát ra ở một năng lượng nhất định).

Cấu trúc tương ứng được thể hiện trong hình trên, đây là cấu trúc đơn giản của laser YAG. Các cấu trúc khác có thể phức tạp hơn, nhưng cốt lõi là thế này. Quá trình tạo ra tia laser được thể hiện trong hình:

Phân loại laser: thường được phân loại theo phương tiện khuếch đại hoặc theo dạng năng lượng laser

Đạt được phân loại trung bình:

Laser carbon dioxide: Môi trường khuếch đại của laser carbon dioxide là helium vàlaze CO2,với bước sóng laser 10,6um, là một trong những sản phẩm laser được ra mắt sớm nhất. Hàn laser ban đầu chủ yếu dựa trên laser carbon dioxide, hiện được sử dụng chủ yếu để hàn và cắt các vật liệu phi kim loại (vải, nhựa, gỗ, v.v.). Ngoài ra, nó còn được sử dụng trên các máy in thạch bản. Laser carbon dioxide không thể truyền qua sợi quang và truyền qua các đường quang không gian. Tongkuai đầu tiên được thực hiện tương đối tốt và rất nhiều thiết bị cắt đã được sử dụng;

Laser YAG (yttri nhôm garnet): Các tinh thể YAG pha tạp các ion kim loại neodymium (Nd) hoặc yttrium (Yb) được sử dụng làm môi trường khuếch đại laser, có bước sóng phát xạ 1,06um. Laser YAG có thể tạo ra các xung cao hơn, nhưng công suất trung bình thấp và công suất cực đại có thể đạt gấp 15 lần công suất trung bình. Nếu chủ yếu là laser xung thì không thể đạt được đầu ra liên tục; Nhưng nó có thể được truyền qua sợi quang, đồng thời, tốc độ hấp thụ của vật liệu kim loại tăng lên và nó bắt đầu được ứng dụng trong các vật liệu có độ phản xạ cao, lần đầu tiên được áp dụng trong trường 3C;

Laser sợi quang: Dòng chủ đạo hiện nay trên thị trường sử dụng sợi pha tạp ytterbium làm môi trường khuếch đại, có bước sóng 1060nm. Nó còn được chia thành laser sợi quang và laser đĩa dựa trên hình dạng của môi trường; Cáp quang đại diện cho IPG, trong khi đĩa đại diện cho Tongkuai.

Laser bán dẫn: Môi trường khuếch đại là điểm nối PN bán dẫn và bước sóng của laser bán dẫn chủ yếu là 976nm. Hiện nay, laser cận hồng ngoại bán dẫn chủ yếu được sử dụng để ốp, với các điểm sáng trên 600um. Laserline là doanh nghiệp tiêu biểu về laser bán dẫn.

Phân loại theo dạng tác động năng lượng: Laser xung (PULSE), laser bán liên tục (QCW), laser liên tục (CW)

Laser xung: nano giây, pico giây, femto giây, laser xung tần số cao (ns, độ rộng xung) này thường có thể đạt được năng lượng cực đại cao, xử lý tần số cao (MHZ), được sử dụng để xử lý các vật liệu mỏng bằng đồng và nhôm khác nhau, cũng như làm sạch hầu hết . Bằng cách sử dụng năng lượng đỉnh cao, nó có thể nhanh chóng làm tan chảy vật liệu cơ bản, với thời gian tác dụng thấp và vùng ảnh hưởng nhiệt nhỏ. Nó có ưu điểm trong việc xử lý vật liệu siêu mỏng (dưới 0,5mm);

Laser gần như liên tục (QCW): Do tốc độ lặp lại cao và chu kỳ hoạt động thấp (dưới 50%), độ rộng xung củaLaser QCWđạt 50 us-50 ms, lấp đầy khoảng cách giữa laser sợi quang liên tục mức kilowatt và laser xung Q-switched; Công suất cực đại của laser sợi quang gần như liên tục có thể đạt gấp 10 lần công suất trung bình khi hoạt động ở chế độ liên tục. Laser QCW thường có hai chế độ, một là hàn liên tục ở công suất thấp và hai là hàn laser xung với công suất cực đại gấp 10 lần công suất trung bình, có thể đạt được vật liệu dày hơn và hàn nhiệt nhiều hơn, đồng thời kiểm soát nhiệt bên trong phạm vi rất nhỏ;

Laser liên tục (CW): Đây là loại được sử dụng phổ biến nhất và hầu hết các loại laser được thấy trên thị trường đều là laser CW phát ra tia laser liên tục để xử lý hàn. Laser sợi quang được chia thành laser đơn chế độ và đa chế độ tùy theo đường kính lõi và chất lượng chùm tia khác nhau và có thể được điều chỉnh cho phù hợp với các tình huống ứng dụng khác nhau.