Без рубрики

Принципы работы и компоненты лазерных источников – обзор

  Из квантовой механики известно, что электроны могут существовать только на дискретных орбитах, причем каждая орбита имеет определенный энергетический уровень. Атомы в возбужденном состоянии могут самопроизвольно распадаться на более низкий энергетический уровень, в результате чего электрон совершает переход с одного дискретного энергетического уровня, например E3. на более низкий энергетический уровень, например Е2. Разность энергий между двумя уровнями (Е3 – Е2) одновременно испускается в виде кванта электромагнитного излучения, фотона, в случайном направлении. Этот процесс известен как спонтанное излучение и является одним из трех возможных связанных с фотонами электронные переходы. Длина волны ( λ) и, следовательно, частота (f) испускаемого электромагнитного излучения напрямую связаны с энергией фотона (E3– E2) и могут быть вычислены, зная постоянную Планка (h) и скорость света (c). Фотоны также могут поглощаться атомом, тем самым повышая энергетический уровень атома, пока его энергия совпадает с энергией возможного перехода электронов в атоме (например, от Е1 к Е2). Поглощение и испускание фотонов возможно также в молекулах, где их дискретные энергетические уровни связаны с молекулярной вибрацией или вращением.[3.1]E3−E2=hf=hc/λ

Статья предоставлена компанией Лазерформ.

  Лазерные источники работают по принципу другого типа фотон-связанного электронного перехода, стимулированного излучения; концепция, предложенная Эйнштейном (1916) и экспериментально подтвержденная Ладенбургом (1928). Стимулированное излучение возникает, когда атом или молекула на энергетическом уровне выше основного состояния взаимодействует с фотоном, энергия которого равна энергии между текущим энергетическим уровнем атома или молекулы и более низким энергетическим уровнем. Это приводит к тому, что фотон испускается, когда атом или молекула совершает переход, например, от Е3 к Е2(как показано на фиг. 3.1), которая имеет ту же энергию (то есть частоту и длину волны), направление движения и фазу, что и фотон, вызвавший переход. Материалы, используемые в промышленном лазерном источнике, которые имеют энергетические уровни, способствующие процессу стимулированного излучения, и поэтому способны осуществлять процесс генерации, называются средой усиления (также называемой активной средой или средой генерации). В таблице 3.1 подробно описаны среды усиления и связанные с ними длины волн фотонов для промышленных лазерных источников, обычно используемых для сварочных работ.

Рис. 3.1. Упрощенная диаграмма энергетического уровня для типичного Nd: YAG лазера (Ион Nd3 + в YAG), показывающая оптическую накачку при 0,81 мкм и стимулированную эмиссию излучения при 1,06 мкм. Значения от Каминского (1981).

Таблица 3.1. Типичные лазерные источники, используемые для сварки высокой мощности

Длина волны (мкм) Максимальная коммерчески доступная мощность (кВт) Значение M 2 Эффективность розетки (%)
CO2 ~ 10 20 ≥ 1.1 (увеличивается с увеличением мощности) ~ 10
НД:ЯГ ~ 1 5 ≥ 35 1.1 (увеличивается с увеличением мощности) ~ 4
Yb-волокно ~ 1 50 ≥ 1.1 (увеличивается с увеличением мощности) ~ 30
Yb: YAG диск ~ 1 16 ≥ 6 (увеличивается с увеличением мощности) ~ 20

  Однако электромагнитное излучение, падающее на среду усиления в термодинамическом равновесии, приведет к чистому поглощению, а не стимулированному излучению излучения. Это происходит потому, что число атомов или молекул с более низким энергетическим уровнем (например, N1) намного больше, чем число атомов или молекул с более высоким энергетическим уровнем (например. N2) для материала, находящегося в термодинамическом равновесии. Для достижения чистого стимулированного излучения N2 должно превышать N1 на пороговую величину. Эта ситуация известна как инверсия населения и достигается путем подачи энергии для возбуждения атомов или молекул на более высокие энергетические уровни. Механизм подачи энергии зависит от среды усиления, но часто используются оптические и электрические (либо через столкновения электронов с молекулами среды усиления, либо через столкновения электронов с другими молекулами, которые впоследствии сталкиваются с средой усиления) методы накачки. Для Nd: YAG лазеров и большинства других твердотельных лазеров оптическая накачка (как схематически показано на рис. 3.2) традиционно выполнялась с помощью высокоинтенсивной лампы-вспышки, хотя в настоящее время диоды обычно используются для достижения повышенной эффективности розетки. Инверсия населенности не может быть эффективно достигнута в системе, имеющей только два дискретных энергетических уровня, так как фотоны, взаимодействующие с атомами, могут либо вызвать стимулированное излучение, либо быть поглощены. Необходимо использовать системы, имеющие три или четыре энергетических уровня (причем одно из верхних состояний является метастабильным) для импульсных и непрерывных (т. е. работающих на постоянной мощности) лазеров соответственно.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *