Principe de génération laser

Pourquoi a-t-on besoin de connaître le principe des lasers ?

Connaître les différences entre les lasers à semi-conducteurs, les fibres, les disques et lesLaser YAGpeut également aider à mieux comprendre et à engager davantage de discussions pendant le processus de sélection.

L'article se concentre principalement sur la science populaire : une brève introduction au principe de génération laser, à la structure principale des lasers et à plusieurs types courants de lasers.

Tout d'abord, le principe de la génération laser

Le laser est généré par l’interaction entre la lumière et la matière, connue sous le nom d’amplification du rayonnement stimulé ; Comprendre l'amplification du rayonnement stimulé nécessite de comprendre les concepts d'Einstein d'émission spontanée, d'absorption stimulée et de rayonnement stimulé, ainsi que certains fondements théoriques nécessaires.

Base théorique 1 : modèle de Bohr

Le modèle de Bohr fournit principalement la structure interne des atomes, ce qui permet de comprendre facilement comment les lasers se produisent. Un atome est composé d’un noyau et d’électrons extérieurs au noyau, et les orbitales des électrons ne sont pas arbitraires. Les électrons n'ont que certaines orbitales, parmi lesquelles l'orbitale la plus interne est appelée l'état fondamental ; Si un électron est dans l’état fondamental, son énergie est la plus faible. Si un électron saute hors d'une orbite, on parle de premier état excité, et l'énergie du premier état excité sera supérieure à celle de l'état fondamental ; Une autre orbite est appelée le deuxième état excité ;

La raison pour laquelle le laser peut se produire est que les électrons se déplaceront sur des orbites différentes dans ce modèle. Si les électrons absorbent de l’énergie, ils peuvent passer de l’état fondamental à l’état excité ; Si un électron revient de l’état excité à l’état fondamental, il libère de l’énergie, souvent libérée sous la forme d’un laser.

Base théorique 2 : la théorie des radiations stimulées d'Einstein

En 1917, Einstein a proposé la théorie du rayonnement stimulé, qui constitue la base théorique des lasers et de leur production : l'absorption ou l'émission de matière est essentiellement le résultat de l'interaction entre le champ de rayonnement et les particules qui composent la matière, et son noyau. l'essence est la transition des particules entre différents niveaux d'énergie. Il existe trois processus différents dans l'interaction entre la lumière et la matière : l'émission spontanée, l'émission stimulée et l'absorption stimulée. Pour un système contenant un grand nombre de particules, ces trois processus coexistent toujours et sont étroitement liés.

Émission spontanée :

Comme le montre la figure : un électron du niveau de haute énergie E2 passe spontanément au niveau de basse énergie E1 et émet un photon avec une énergie de hv, et hv=E2-E1 ; Ce processus de transition spontané et sans rapport est appelé transition spontanée, et les ondes lumineuses émises par les transitions spontanées sont appelées rayonnement spontané.

Les caractéristiques de l'émission spontanée : Chaque photon est indépendant, avec des directions et des phases différentes, et le moment d'apparition est également aléatoire. Elle appartient à la lumière incohérente et chaotique, qui n’est pas la lumière requise par le laser. Par conséquent, le processus de génération laser doit réduire ce type de lumière parasite. C’est également l’une des raisons pour lesquelles la longueur d’onde de divers lasers présente une lumière parasite. Si elle est bien contrôlée, la proportion d'émission spontanée dans le laser peut être ignorée. Plus le laser est pur, comme 1060 nm, il est entièrement de 1060 nm. Ce type de laser a un taux d'absorption et une puissance relativement stables.

Absorption stimulée :

Les électrons à faibles niveaux d’énergie (orbitales basses), après avoir absorbé les photons, passent à des niveaux d’énergie plus élevés (orbitales élevées), et ce processus est appelé absorption stimulée. L’absorption stimulée est cruciale et constitue l’un des processus de pompage clés. La source de pompe du laser fournit de l'énergie photonique pour provoquer la transition des particules dans le milieu de gain et attendre un rayonnement stimulé à des niveaux d'énergie plus élevés, émettant le laser.

Rayonnement stimulé :

Lorsqu'il est irradié par la lumière d'une énergie externe (hv=E2-E1), l'électron au niveau d'énergie élevé est excité par le photon externe et passe au niveau d'énergie faible (l'orbite haute passe à l'orbite basse). En même temps, il émet un photon exactement identique au photon externe. Ce processus n'absorbe pas la lumière d'excitation d'origine, il y aura donc deux photons identiques, ce qui peut être compris comme l'électron crache le photon précédemment absorbé. Ce processus de luminescence est appelé rayonnement stimulé, qui est le processus inverse de l'absorption stimulée.

Une fois la théorie claire, il est très simple de construire un laser, comme le montre la figure ci-dessus : dans des conditions normales de stabilité du matériau, la grande majorité des électrons sont dans l'état fondamental, les électrons dans l'état fondamental, et le laser dépend de rayonnement stimulé. Par conséquent, la structure du laser est de permettre à l'absorption stimulée de se produire d'abord, amenant les électrons à un niveau d'énergie élevé, puis de fournir une excitation pour qu'un grand nombre d'électrons de niveau d'énergie élevé subissent un rayonnement stimulé, libérant des photons. un laser peut être généré. Ensuite, nous présenterons la structure du laser.

Structure du laser :

Faites correspondre la structure du laser avec les conditions de génération laser mentionnées précédemment, une par une :

État d'occurrence et structure correspondante :

1. Il existe un milieu de gain qui fournit un effet d'amplification en tant que milieu de travail du laser, et ses particules activées ont une structure de niveau d'énergie adaptée pour générer un rayonnement stimulé (principalement capable de pomper des électrons vers des orbitales à haute énergie et d'exister pendant une certaine période de temps , puis libèrent des photons en une seule respiration grâce à un rayonnement stimulé) ;

2. Il existe une source d'excitation externe (source de pompe) qui peut pomper des électrons du niveau inférieur au niveau supérieur, provoquant une inversion du nombre de particules entre les niveaux supérieur et inférieur du laser (c'est-à-dire lorsqu'il y a plus de particules de haute énergie que particules de faible énergie), comme la lampe au xénon des lasers YAG ;

3. Il existe une cavité résonante qui peut réaliser une oscillation laser, augmenter la longueur de travail du matériau de travail laser, filtrer le mode d'onde lumineuse, contrôler la direction de propagation du faisceau, amplifier sélectivement la fréquence de rayonnement stimulée pour améliorer la monochromaticité (en garantissant que le le laser est émis à une certaine énergie).

La structure correspondante est représentée dans la figure ci-dessus, qui est une structure simple d'un laser YAG. D’autres structures peuvent être plus complexes, mais l’essentiel est là. Le processus de génération laser est illustré dans la figure :

Classification laser : généralement classée par milieu de gain ou par forme d'énergie laser

Gagner le classement moyen :

Laser au dioxyde de carbone: Le milieu de gain du laser au dioxyde de carbone est l'hélium etlaser CO2,avec une longueur d'onde laser de 10,6 um, qui est l'un des premiers produits laser à être lancé. Les premiers travaux de soudage au laser reposaient principalement sur le laser au dioxyde de carbone, qui est actuellement principalement utilisé pour le soudage et la découpe de matériaux non métalliques (tissus, plastiques, bois, etc.). De plus, il est également utilisé sur les machines de lithographie. Le laser au dioxyde de carbone ne peut pas être transmis à travers des fibres optiques et voyage à travers des chemins optiques spatiaux. Le premier Tongkuai a été relativement bien réalisé et de nombreux équipements de découpe ont été utilisés ;

Laser YAG (grenat d'yttrium et d'aluminium) : des cristaux YAG dopés avec des ions métalliques néodyme (Nd) ou yttrium (Yb) sont utilisés comme milieu de gain laser, avec une longueur d'onde d'émission de 1,06 um. Le laser YAG peut produire des impulsions plus élevées, mais la puissance moyenne est faible et la puissance maximale peut atteindre 15 fois la puissance moyenne. S'il s'agit principalement d'un laser à impulsions, une sortie continue ne peut pas être obtenue ; Mais il peut être transmis à travers des fibres optiques, et en même temps, le taux d'absorption des matériaux métalliques augmente, et il commence à être appliqué dans des matériaux à haute réflectivité, d'abord appliqués dans le domaine 3C ;

Laser à fibre : Le courant dominant actuel sur le marché utilise une fibre dopée à l'ytterbium comme milieu de gain, avec une longueur d'onde de 1060 nm. Il est ensuite divisé en lasers à fibre et à disque en fonction de la forme du support ; La fibre optique représente IPG, tandis que le disque représente Tongkuai.

Laser à semi-conducteur : le milieu de gain est une jonction PN semi-conductrice et la longueur d'onde du laser à semi-conducteur est principalement de 976 nm. Actuellement, les lasers semi-conducteurs proche infrarouge sont principalement utilisés pour le revêtement, avec des points lumineux supérieurs à 600 um. Laserline est une entreprise représentative des lasers à semi-conducteurs.

Classé selon la forme d'action énergétique : Laser pulsé (PULSE), laser quasi continu (QCW), laser continu (CW)

Laser à impulsion : nanoseconde, picoseconde, femtoseconde, ce laser à impulsions haute fréquence (ns, largeur d'impulsion) peut souvent atteindre une énergie de crête élevée, un traitement à haute fréquence (MHZ), utilisé pour le traitement de matériaux fins en cuivre et en aluminium différents, ainsi que pour le nettoyage principalement . En utilisant une énergie de pointe élevée, il peut faire fondre rapidement le matériau de base, avec un temps d'action faible et une petite zone affectée par la chaleur. Il présente des avantages dans le traitement de matériaux ultra-fins (inférieurs à 0,5 mm) ;

Laser quasi continu (QCW) : en raison du taux de répétition élevé et du faible cycle de service (inférieur à 50 %), la largeur d'impulsion deLaser QCWatteint 50 us-50 ms, comblant l'écart entre le laser à fibre continue de niveau kilowatt et le laser à impulsion Q-switched ; La puissance maximale d'un laser à fibre quasi continue peut atteindre 10 fois la puissance moyenne en mode continu. Les lasers QCW ont généralement deux modes, l'un est le soudage continu à faible puissance et l'autre est le soudage laser pulsé avec une puissance maximale de 10 fois la puissance moyenne, ce qui permet d'obtenir des matériaux plus épais et plus de soudage thermique, tout en contrôlant également la chaleur dans un très petite portée ;

Laser continu (CW) : C'est le plus couramment utilisé, et la plupart des lasers vus sur le marché sont des lasers CW qui émettent en continu un laser pour le traitement de soudage. Les lasers à fibre sont divisés en lasers monomodes et multimodes selon différents diamètres de noyau et qualités de faisceau, et peuvent être adaptés à différents scénarios d'application.