หลักการสร้างเลเซอร์

ทำไมเราต้องรู้หลักการของเลเซอร์?

ทราบความแตกต่างระหว่างเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ทั่วไป ไฟเบอร์ จาน และYAG เลเซอร์ยังช่วยให้เกิดความเข้าใจที่ดีขึ้นและมีส่วนร่วมในการอภิปรายมากขึ้นในระหว่างกระบวนการคัดเลือก

บทความนี้มุ่งเน้นไปที่วิทยาศาสตร์ยอดนิยมเป็นหลัก: การแนะนำโดยย่อเกี่ยวกับหลักการของการสร้างเลเซอร์ โครงสร้างหลักของเลเซอร์ และเลเซอร์ประเภททั่วไปหลายประเภท

ประการแรก หลักการของการสร้างเลเซอร์

เลเซอร์ถูกสร้างขึ้นจากอันตรกิริยาระหว่างแสงและสสาร เรียกว่าการขยายรังสีที่ถูกกระตุ้น การทำความเข้าใจการขยายรังสีที่ถูกกระตุ้นจำเป็นต้องเข้าใจแนวคิดของไอน์สไตน์เกี่ยวกับการแผ่รังสีที่เกิดขึ้นเอง การดูดซับที่ถูกกระตุ้น และการแผ่รังสีที่ถูกกระตุ้น ตลอดจนพื้นฐานทางทฤษฎีที่จำเป็นบางประการ

พื้นฐานทางทฤษฎีที่ 1: แบบจำลองบอร์

แบบจำลอง Bohr ให้ข้อมูลโครงสร้างภายในของอะตอมเป็นหลัก ทำให้ง่ายต่อการเข้าใจว่าเลเซอร์เกิดขึ้นได้อย่างไร อะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสและอิเล็กตรอนที่อยู่นอกนิวเคลียส และวงโคจรของอิเล็กตรอนไม่ได้เป็นไปตามอำเภอใจ อิเล็กตรอนมีออร์บิทัลเพียงบางส่วนเท่านั้น ซึ่งในวงโคจรชั้นในสุดเรียกว่าสถานะพื้น หากอิเล็กตรอนอยู่ในสถานะพื้น พลังงานของมันจะต่ำที่สุด หากอิเล็กตรอนกระโดดออกจากวงโคจร จะเรียกว่าสถานะตื่นเต้นครั้งแรก และพลังงานของสถานะตื่นเต้นแรกจะสูงกว่าสถานะพื้นดิน อีกวงโคจรหนึ่งเรียกว่าสภาวะตื่นเต้นที่สอง

สาเหตุที่เลเซอร์เกิดขึ้นได้ก็เพราะว่าอิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ในวงโคจรที่แตกต่างกันในแบบจำลองนี้ หากอิเล็กตรอนดูดซับพลังงาน พวกมันก็สามารถวิ่งจากสถานะพื้นดินไปสู่สถานะตื่นเต้นได้ หากอิเล็กตรอนกลับจากสถานะตื่นเต้นสู่สถานะพื้น มันจะปล่อยพลังงาน ซึ่งมักถูกปล่อยออกมาในรูปของเลเซอร์

พื้นฐานทางทฤษฎี 2: ทฤษฎีรังสีกระตุ้นของไอน์สไตน์

ในปี พ.ศ. 2460 ไอน์สไตน์เสนอทฤษฎีรังสีกระตุ้นซึ่งเป็นพื้นฐานทางทฤษฎีสำหรับเลเซอร์และการผลิตเลเซอร์ การดูดกลืนหรือการปล่อยสสารเป็นผลมาจากปฏิสัมพันธ์ระหว่างสนามรังสีกับอนุภาคที่ประกอบเป็นสสารและแกนกลางของสสาร สาระสำคัญคือการเปลี่ยนแปลงของอนุภาคระหว่างระดับพลังงานที่แตกต่างกัน ปฏิสัมพันธ์ระหว่างแสงและสสารมีกระบวนการที่แตกต่างกันสามกระบวนการ: การเปล่งแสงที่เกิดขึ้นเอง การเปล่งแสงที่ถูกกระตุ้น และการดูดซึมที่ถูกกระตุ้น สำหรับระบบที่มีอนุภาคจำนวนมาก กระบวนการทั้งสามนี้จะอยู่ร่วมกันเสมอและมีความสัมพันธ์กันอย่างใกล้ชิด

การปล่อยก๊าซธรรมชาติ:

ดังแสดงในรูป: อิเล็กตรอนในระดับพลังงานสูง E2 จะเปลี่ยนไปเป็นระดับพลังงานต่ำ E1 ตามธรรมชาติ และปล่อยโฟตอนออกมาด้วยพลังงานของ hv และ hv=E2-E1; กระบวนการเปลี่ยนผ่านที่เกิดขึ้นเองและไม่เกี่ยวข้องกันนี้เรียกว่าการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นเอง และคลื่นแสงที่ปล่อยออกมาจากการเปลี่ยนผ่านที่เกิดขึ้นเองนั้นเรียกว่าการแผ่รังสีที่เกิดขึ้นเอง

ลักษณะเฉพาะของการปล่อยก๊าซธรรมชาติ: โฟตอนแต่ละตัวมีความเป็นอิสระ มีทิศทางและระยะต่างกัน และเวลาที่เกิดก็เป็นแบบสุ่มเช่นกัน มันเป็นของแสงที่ไม่ต่อเนื่องและวุ่นวายซึ่งไม่ใช่แสงที่เลเซอร์ต้องการ ดังนั้นกระบวนการสร้างเลเซอร์จึงต้องลดแสงเล็ดลอดประเภทนี้ลง นี่เป็นหนึ่งในสาเหตุที่ความยาวคลื่นของเลเซอร์ต่างๆ มีแสงเล็ดลอด หากควบคุมได้ดี สัดส่วนของการปล่อยแสงที่เกิดขึ้นเองในเลเซอร์ก็จะถูกละเว้น ยิ่งเลเซอร์มีความบริสุทธิ์มากขึ้น เช่น 1,060 นาโนเมตร ทั้งหมดจะเป็น 1,060 นาโนเมตร เลเซอร์ประเภทนี้มีอัตราการดูดซับและกำลังค่อนข้างคงที่

การดูดซึมที่ถูกกระตุ้น:

อิเล็กตรอนที่ระดับพลังงานต่ำ (ออร์บิทัลต่ำ) หลังจากดูดซับโฟตอนแล้ว จะเปลี่ยนไปสู่ระดับพลังงานที่สูงขึ้น (ออร์บิทัลสูง) และกระบวนการนี้เรียกว่าการดูดซึมแบบกระตุ้น การดูดซึมที่ถูกกระตุ้นถือเป็นสิ่งสำคัญและเป็นกระบวนการสูบน้ำที่สำคัญอย่างหนึ่ง แหล่งกำเนิดปั๊มของเลเซอร์จะให้พลังงานโฟตอนเพื่อทำให้อนุภาคในตัวกลางเกนเปลี่ยนผ่าน และรอการแผ่รังสีที่ถูกกระตุ้นที่ระดับพลังงานที่สูงขึ้น จากนั้นจึงปล่อยเลเซอร์ออกมา

รังสีกระตุ้น:

เมื่อถูกฉายรังสีด้วยแสงจากพลังงานภายนอก (hv=E2-E1) อิเล็กตรอนที่มีระดับพลังงานสูงจะถูกตื่นเต้นโดยโฟตอนภายนอก และกระโดดไปยังระดับพลังงานต่ำ (วงโคจรสูงวิ่งไปยังวงโคจรต่ำ) ในขณะเดียวกัน มันก็ปล่อยโฟตอนที่เหมือนกับโฟตอนภายนอกทุกประการ กระบวนการนี้ไม่ดูดซับแสงกระตุ้นดั้งเดิม ดังนั้นจะมีโฟตอนที่เหมือนกันสองตัว ซึ่งสามารถเข้าใจได้เมื่ออิเล็กตรอนพ่นโฟตอนที่ถูกดูดซับก่อนหน้านี้ออกมา กระบวนการเรืองแสงนี้เรียกว่ารังสีกระตุ้น ซึ่งเป็นกระบวนการย้อนกลับของการดูดซึมที่ถูกกระตุ้น

หลังจากที่ทฤษฎีชัดเจน การสร้างเลเซอร์ก็ง่ายมาก ดังแสดงในรูปด้านบน: ภายใต้สภาวะปกติของความเสถียรของวัสดุ อิเล็กตรอนส่วนใหญ่อยู่ในสถานะพื้น อิเล็กตรอนอยู่ในสถานะพื้น และเลเซอร์ขึ้นอยู่กับ รังสีกระตุ้น ดังนั้นโครงสร้างของเลเซอร์คือการให้การดูดซึมที่ถูกกระตุ้นเกิดขึ้นก่อน โดยนำอิเล็กตรอนไปสู่ระดับพลังงานสูง จากนั้นจึงให้การกระตุ้นเพื่อให้อิเล็กตรอนระดับพลังงานสูงจำนวนมากได้รับการกระตุ้นรังสี และปล่อยโฟตอน จากนี้ สามารถสร้างเลเซอร์ได้ ต่อไป เราจะมาแนะนำโครงสร้างเลเซอร์

โครงสร้างเลเซอร์:

จับคู่โครงสร้างเลเซอร์กับเงื่อนไขการสร้างเลเซอร์ที่กล่าวถึงก่อนหน้านี้ทีละรายการ:

สภาพการเกิดขึ้นและโครงสร้างที่เกี่ยวข้อง:

1. มีตัวกลางเกนที่ให้เอฟเฟกต์การขยายสัญญาณเป็นสื่อการทำงานของเลเซอร์ และอนุภาคที่กระตุ้นการทำงานของมันมีโครงสร้างระดับพลังงานที่เหมาะสมสำหรับการสร้างรังสีกระตุ้น (ส่วนใหญ่สามารถปั๊มอิเล็กตรอนไปยังวงโคจรพลังงานสูงและมีอยู่ในช่วงเวลาหนึ่ง แล้วปล่อยโฟตอนในลมหายใจเดียวผ่านรังสีกระตุ้น)

2. มีแหล่งกระตุ้นภายนอก (pump source) ที่สามารถปั๊มอิเล็กตรอนจากระดับล่างขึ้นสู่ระดับบน ทำให้เกิดการผกผันของจำนวนอนุภาคระหว่างระดับบนและล่างของเลเซอร์ (เช่น เมื่อมีอนุภาคพลังงานสูงกว่า อนุภาคพลังงานต่ำ) เช่น หลอดไฟซีนอนในเลเซอร์ YAG

3. มีช่องเรโซแนนซ์ที่สามารถบรรลุการสั่นของเลเซอร์, เพิ่มความยาวการทำงานของวัสดุการทำงานของเลเซอร์, คัดกรองโหมดคลื่นแสง, ควบคุมทิศทางการแพร่กระจายของลำแสง, เลือกขยายความถี่รังสีกระตุ้นเพื่อปรับปรุงความเป็นเอกเทศ (ทำให้มั่นใจได้ว่า เลเซอร์จะถูกส่งออกด้วยพลังงานจำนวนหนึ่ง)

โครงสร้างที่เกี่ยวข้องแสดงอยู่ในรูปด้านบน ซึ่งเป็นโครงสร้างอย่างง่ายของเลเซอร์ YAG โครงสร้างอื่นๆ อาจจะซับซ้อนกว่า แต่แกนกลางคือสิ่งนี้ กระบวนการสร้างเลเซอร์แสดงในรูป:

การจำแนกประเภทเลเซอร์: โดยทั่วไปจำแนกตามตัวกลางที่ได้รับหรือตามรูปแบบพลังงานเลเซอร์

ได้รับการจำแนกประเภทปานกลาง:

เลเซอร์คาร์บอนไดออกไซด์: ตัวกลางเกนของเลเซอร์คาร์บอนไดออกไซด์คือฮีเลียมและเลเซอร์ CO2,ด้วยความยาวคลื่นเลเซอร์ 10.6um ซึ่งเป็นหนึ่งในผลิตภัณฑ์เลเซอร์รุ่นแรกสุดที่เปิดตัว การเชื่อมด้วยเลเซอร์ในยุคแรกนั้นใช้เลเซอร์คาร์บอนไดออกไซด์เป็นหลัก ซึ่งในปัจจุบันส่วนใหญ่ใช้สำหรับการเชื่อมและตัดวัสดุที่ไม่ใช่โลหะ (ผ้า พลาสติก ไม้ ฯลฯ) นอกจากนี้ยังใช้กับเครื่องพิมพ์หินด้วย เลเซอร์คาร์บอนไดออกไซด์ไม่สามารถส่งผ่านใยแก้วนำแสงได้และเดินทางผ่านเส้นทางแสงเชิงพื้นที่ ตงเกยรุ่นแรกสุดทำได้ค่อนข้างดี และใช้อุปกรณ์ตัดจำนวนมาก

เลเซอร์ YAG (อิตเทรียมอะลูมิเนียมโกเมน): ผลึก YAG ที่เจือด้วยไอออนของโลหะนีโอไดเมียม (Nd) หรืออิตเทรียม (Yb) จะถูกใช้เป็นสื่อกลางที่ได้รับเลเซอร์ โดยมีความยาวคลื่นการปล่อย 1.06um เลเซอร์ YAG สามารถส่งพัลส์ที่สูงขึ้นได้ แต่กำลังเฉลี่ยต่ำ และกำลังสูงสุดสามารถเข้าถึง 15 เท่าของกำลังเฉลี่ย หากส่วนใหญ่เป็นเลเซอร์พัลส์ จะไม่สามารถสร้างเอาต์พุตต่อเนื่องได้ แต่สามารถส่งผ่านใยแก้วนำแสงได้ และในเวลาเดียวกัน อัตราการดูดซึมของวัสดุโลหะจะเพิ่มขึ้น และเริ่มนำไปใช้กับวัสดุที่มีการสะท้อนแสงสูง ซึ่งใช้ครั้งแรกในสนาม 3C

ไฟเบอร์เลเซอร์: กระแสหลักในตลาดในปัจจุบันใช้ไฟเบอร์เจืออิตเทอร์เบียมเป็นสื่อกลางที่ได้รับ โดยมีความยาวคลื่น 1,060 นาโนเมตร มันถูกแบ่งออกเป็นเลเซอร์ไฟเบอร์และดิสก์เพิ่มเติมตามรูปร่างของสื่อ ไฟเบอร์ออปติกหมายถึง IPG ในขณะที่ดิสก์หมายถึงตองเกี้ยว

เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์: ตัวกลางที่ได้รับคือจุดเชื่อมต่อ PN ของเซมิคอนดักเตอร์ และความยาวคลื่นของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ส่วนใหญ่จะอยู่ที่ 976 นาโนเมตร ปัจจุบัน เลเซอร์ใกล้อินฟราเรดแบบเซมิคอนดักเตอร์ส่วนใหญ่จะใช้สำหรับการหุ้ม โดยมีจุดแสงสูงกว่า 600um Laserline คือบริษัทตัวแทนของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์

จำแนกตามรูปแบบการทำงานของพลังงาน: พัลส์เลเซอร์ (PULSE), เลเซอร์กึ่งต่อเนื่อง (QCW), เลเซอร์ต่อเนื่อง (CW)

พัลส์เลเซอร์: นาโนวินาที, พิโควินาที, เฟมโตวินาที เลเซอร์พัลส์ความถี่สูง (ns, ความกว้างพัลส์) มักจะสามารถบรรลุพลังงานสูงสุดสูง, การประมวลผลความถี่สูง (MHZ) ใช้สำหรับการประมวลผลวัสดุทองแดงและอลูมิเนียมที่ไม่เหมือนกันบาง ๆ เช่นเดียวกับการทำความสะอาดส่วนใหญ่ . ด้วยการใช้พลังงานสูงสุดที่สูง จึงสามารถหลอมวัสดุฐานได้อย่างรวดเร็ว โดยมีเวลาการดำเนินการต่ำและโซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนเล็กน้อย มีข้อดีในการประมวลผลวัสดุบางเฉียบ (ต่ำกว่า 0.5 มม.)

เลเซอร์ต่อเนื่องเสมือน (QCW): เนื่องจากอัตราการทำซ้ำสูงและรอบการทำงานต่ำ (ต่ำกว่า 50%) ความกว้างพัลส์ของเลเซอร์ QCWถึง 50 us-50 ms เติมเต็มช่องว่างระหว่างเลเซอร์ไฟเบอร์ต่อเนื่องระดับกิโลวัตต์และเลเซอร์พัลส์สวิตช์ Q กำลังสูงสุดของเลเซอร์ไฟเบอร์กึ่งต่อเนื่องสามารถเข้าถึง 10 เท่าของกำลังเฉลี่ยภายใต้การทำงานในโหมดต่อเนื่อง โดยทั่วไปเลเซอร์ QCW มีสองโหมด โหมดแรกคือการเชื่อมอย่างต่อเนื่องโดยใช้พลังงานต่ำ และอีกโหมดคือการเชื่อมด้วยเลเซอร์แบบพัลซิ่งด้วยกำลังสูงสุด 10 เท่าของกำลังเฉลี่ย ซึ่งสามารถบรรลุวัสดุที่หนาขึ้นและการเชื่อมด้วยความร้อนมากขึ้น ในขณะเดียวกันก็ควบคุมความร้อนภายใน ช่วงที่เล็กมาก

เลเซอร์ต่อเนื่อง (CW): นี่เป็นเลเซอร์ที่ใช้กันมากที่สุด และเลเซอร์ส่วนใหญ่ที่เห็นในตลาดคือเลเซอร์ CW ​​ที่จะส่งสัญญาณเลเซอร์ออกมาอย่างต่อเนื่องสำหรับกระบวนการเชื่อม ไฟเบอร์เลเซอร์แบ่งออกเป็นเลเซอร์แบบโหมดเดียวและหลายโหมดตามขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางแกนและคุณภาพลำแสงที่แตกต่างกัน และสามารถปรับให้เข้ากับสถานการณ์การใช้งานที่แตกต่างกัน