หลักการสร้างเลเซอร์

ทำไมเราจึงจำเป็นต้องรู้หลักการทำงานของเลเซอร์?

การรู้ถึงความแตกต่างระหว่างเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ทั่วไป ไฟเบอร์ ดิสก์ และ...เลเซอร์ YAGนอกจากนี้ยังช่วยให้เกิดความเข้าใจที่ดีขึ้นและมีส่วนร่วมในการอภิปรายมากขึ้นในระหว่างกระบวนการคัดเลือกได้อีกด้วย

บทความนี้เน้นไปที่วิทยาศาสตร์ยอดนิยมเป็นหลัก ได้แก่ บทนำโดยสังเขปเกี่ยวกับหลักการสร้างเลเซอร์ โครงสร้างหลักของเลเซอร์ และเลเซอร์ประเภทต่างๆ ที่พบได้ทั่วไป

ประการแรก หลักการของการสร้างเลเซอร์

เลเซอร์เกิดขึ้นจากปฏิกิริยาระหว่างแสงและสสาร ซึ่งเรียกว่าการขยายการแผ่รังสีแบบกระตุ้น การทำความเข้าใจการขยายการแผ่รังสีแบบกระตุ้นนั้น จำเป็นต้องเข้าใจแนวคิดของไอน์สไตน์เกี่ยวกับการปล่อยรังสีแบบเกิดขึ้นเอง การดูดซับแบบกระตุ้น และการแผ่รังสีแบบกระตุ้น รวมถึงพื้นฐานทางทฤษฎีที่จำเป็นบางประการด้วย

พื้นฐานทางทฤษฎีที่ 1: แบบจำลองของโบร์

แบบจำลองของบอร์ให้ข้อมูลเกี่ยวกับโครงสร้างภายในของอะตอมเป็นหลัก ทำให้เข้าใจได้ง่ายว่าเลเซอร์เกิดขึ้นได้อย่างไร อะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสและอิเล็กตรอนที่อยู่รอบนิวเคลียส และวงโคจรของอิเล็กตรอนไม่ได้เกิดขึ้นโดยพลการ อิเล็กตรอนจะมีวงโคจรที่แน่นอนเท่านั้น โดยวงโคจรชั้นในสุดเรียกว่าสถานะพื้นฐาน หากอิเล็กตรอนอยู่ในสถานะพื้นฐาน พลังงานของมันจะต่ำที่สุด หากอิเล็กตรอนกระโดดออกจากวงโคจรหนึ่ง จะเรียกว่าสถานะกระตุ้นแรก และพลังงานของสถานะกระตุ้นแรกจะสูงกว่าพลังงานของสถานะพื้นฐาน วงโคจรอีกวงหนึ่งเรียกว่าสถานะกระตุ้นที่สอง

สาเหตุที่ทำให้เกิดเลเซอร์ได้นั้นเป็นเพราะอิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ในวงโคจรที่แตกต่างกันในแบบจำลองนี้ หากอิเล็กตรอนดูดซับพลังงาน พวกมันสามารถเคลื่อนที่จากสถานะพื้นฐานไปยังสถานะกระตุ้นได้ และหากอิเล็กตรอนกลับจากสถานะกระตุ้นไปยังสถานะพื้นฐาน มันจะปล่อยพลังงานออกมา ซึ่งมักจะถูกปล่อยออกมาในรูปของเลเซอร์

พื้นฐานทางทฤษฎีข้อที่ 2: ทฤษฎีการแผ่รังสีแบบกระตุ้นของไอน์สไตน์

ในปี ค.ศ. 1917 ไอน์สไตน์ได้เสนอทฤษฎีการแผ่รังสีแบบกระตุ้น ซึ่งเป็นพื้นฐานทางทฤษฎีของเลเซอร์และการผลิตเลเซอร์ กล่าวคือ การดูดกลืนหรือการแผ่รังสีของสสารนั้นเป็นผลมาจากการปฏิสัมพันธ์ระหว่างสนามรังสีกับอนุภาคที่ประกอบขึ้นเป็นสสาร และแก่นแท้ของมันคือการเปลี่ยนสถานะของอนุภาคระหว่างระดับพลังงานที่แตกต่างกัน มีกระบวนการที่แตกต่างกันสามอย่างในการปฏิสัมพันธ์ระหว่างแสงกับสสาร ได้แก่ การแผ่รังสีแบบเกิดขึ้นเอง การแผ่รังสีแบบกระตุ้น และการดูดกลืนแบบกระตุ้น สำหรับระบบที่มีอนุภาคจำนวนมาก กระบวนการทั้งสามนี้จะเกิดขึ้นพร้อมกันและมีความสัมพันธ์กันอย่างใกล้ชิดเสมอ

การปล่อยแสงโดยธรรมชาติ:

ดังแสดงในรูป อิเล็กตรอนที่ระดับพลังงานสูง E2 จะเปลี่ยนสถานะไปยังระดับพลังงานต่ำ E1 โดยธรรมชาติและปล่อยโฟตอนที่มีพลังงาน hv โดยที่ hv = E2 - E1 กระบวนการเปลี่ยนสถานะโดยธรรมชาติและไม่เกี่ยวข้องกันนี้เรียกว่า การเปลี่ยนสถานะโดยธรรมชาติ และคลื่นแสงที่ปล่อยออกมาจากการเปลี่ยนสถานะโดยธรรมชาติเรียกว่า การแผ่รังสีโดยธรรมชาติ

ลักษณะของการปล่อยแสงแบบสุ่ม: โฟตอนแต่ละตัวเป็นอิสระ มีทิศทางและเฟสที่แตกต่างกัน และเวลาที่เกิดขึ้นก็เป็นแบบสุ่มเช่นกัน แสงประเภทนี้เป็นแสงที่ไม่สอดคล้องกันและไร้ระเบียบ ซึ่งไม่ใช่แสงที่จำเป็นสำหรับเลเซอร์ ดังนั้นกระบวนการสร้างเลเซอร์จึงจำเป็นต้องลดแสงรบกวนประเภทนี้ นี่เป็นหนึ่งในเหตุผลที่ทำให้เลเซอร์ที่มีความยาวคลื่นต่างๆ มีแสงรบกวน หากควบคุมได้ดี สัดส่วนของการปล่อยแสงแบบสุ่มในเลเซอร์ก็สามารถละเลยได้ เลเซอร์ที่บริสุทธิ์กว่า เช่น 1060 นาโนเมตร ก็จะเป็น 1060 นาโนเมตรทั้งหมด เลเซอร์ประเภทนี้จะมีอัตราการดูดซับและกำลังที่ค่อนข้างคงที่

การดูดซึมที่ถูกกระตุ้น:

อิเล็กตรอนที่ระดับพลังงานต่ำ (วงโคจรต่ำ) หลังจากดูดซับโฟตอนแล้ว จะเปลี่ยนสถานะไปยังระดับพลังงานที่สูงขึ้น (วงโคจรสูง) และกระบวนการนี้เรียกว่าการดูดซับแบบกระตุ้น การดูดซับแบบกระตุ้นมีความสำคัญและเป็นหนึ่งในกระบวนการปั๊มหลัก แหล่งกำเนิดแสงของเลเซอร์จะให้พลังงานโฟตอนเพื่อทำให้อนุภาคในตัวกลางขยายสัญญาณเปลี่ยนสถานะและรอรับรังสีแบบกระตุ้นที่ระดับพลังงานที่สูงขึ้น จึงปล่อยแสงเลเซอร์ออกมา

รังสีที่กระตุ้น:

เมื่อได้รับแสงจากพลังงานภายนอก (hv=E2-E1) อิเล็กตรอนที่ระดับพลังงานสูงจะถูกกระตุ้นด้วยโฟตอนภายนอกและกระโดดไปยังระดับพลังงานต่ำ (วงโคจรสูงวิ่งไปยังวงโคจรต่ำ) ในขณะเดียวกัน มันจะปล่อยโฟตอนออกมาหนึ่งตัวซึ่งเหมือนกับโฟตอนภายนอกทุกประการ กระบวนการนี้ไม่ได้ดูดซับแสงกระตุ้นเดิม ดังนั้นจะมีโฟตอนที่เหมือนกันสองตัว ซึ่งสามารถเข้าใจได้ว่าอิเล็กตรอนปล่อยโฟตอนที่ถูกดูดซับไว้ก่อนหน้านี้ออกมา กระบวนการเรืองแสงนี้เรียกว่าการแผ่รังสีแบบกระตุ้น ซึ่งเป็นกระบวนการย้อนกลับของการดูดซับแบบกระตุ้น

หลังจากที่เข้าใจทฤษฎีแล้ว การสร้างเลเซอร์นั้นง่ายมาก ดังแสดงในรูปข้างต้น: ภายใต้สภาวะปกติของความเสถียรของวัสดุ อิเล็กตรอนส่วนใหญ่จะอยู่ในสถานะพื้นฐาน อิเล็กตรอนในสถานะพื้นฐานและเลเซอร์ขึ้นอยู่กับการแผ่รังสีแบบกระตุ้น ดังนั้น โครงสร้างของเลเซอร์จึงต้องทำให้เกิดการดูดซับแบบกระตุ้นก่อน นำอิเล็กตรอนไปสู่ระดับพลังงานสูง จากนั้นจึงให้การกระตุ้นเพื่อให้อิเล็กตรอนระดับพลังงานสูงจำนวนมากเกิดการแผ่รังสีแบบกระตุ้น ปล่อยโฟตอนออกมา จากนั้นจึงสามารถสร้างเลเซอร์ได้ ต่อไปเราจะแนะนำโครงสร้างของเลเซอร์

โครงสร้างเลเซอร์:

จับคู่โครงสร้างของเลเซอร์กับเงื่อนไขการสร้างเลเซอร์ที่กล่าวถึงก่อนหน้านี้ทีละข้อ:

เงื่อนไขการเกิดและโครงสร้างที่เกี่ยวข้อง:

1. มีตัวกลางขยายสัญญาณที่ให้ผลในการขยายสัญญาณเป็นตัวกลางทำงานของเลเซอร์ และอนุภาคที่ถูกกระตุ้นของตัวกลางนี้มีโครงสร้างระดับพลังงานที่เหมาะสมสำหรับการสร้างรังสีแบบกระตุ้น (โดยหลักแล้วสามารถปั๊มอิเล็กตรอนไปยังวงโคจรพลังงานสูงและคงอยู่เป็นระยะเวลาหนึ่ง จากนั้นปล่อยโฟตอนออกมาในคราวเดียวผ่านรังสีแบบกระตุ้น)

2. มีแหล่งกำเนิดการกระตุ้นภายนอก (แหล่งกำเนิดปั๊ม) ที่สามารถปั๊มอิเล็กตรอนจากระดับล่างไปยังระดับบน ทำให้เกิดการผกผันของจำนวนอนุภาคระหว่างระดับบนและระดับล่างของเลเซอร์ (กล่าวคือ เมื่อมีอนุภาคพลังงานสูงมากกว่าอนุภาคพลังงานต่ำ) เช่น หลอดซีนอนในเลเซอร์ YAG

3. มีโพรงเรโซแนนซ์ที่สามารถทำให้เกิดการสั่นของเลเซอร์ เพิ่มความยาวในการทำงานของวัสดุเลเซอร์ คัดกรองโหมดคลื่นแสง ควบคุมทิศทางการแพร่กระจายของลำแสง และขยายความถี่ของการแผ่รังสีที่กระตุ้นอย่างเลือกสรรเพื่อปรับปรุงความเป็นเอกสี (เพื่อให้แน่ใจว่าเลเซอร์ที่ได้มีพลังงานในระดับหนึ่ง)

โครงสร้างที่เกี่ยวข้องแสดงอยู่ในรูปด้านบน ซึ่งเป็นโครงสร้างพื้นฐานของเลเซอร์ YAG โครงสร้างอื่นๆ อาจซับซ้อนกว่านี้ แต่แก่นหลักคือแบบนี้ กระบวนการสร้างเลเซอร์แสดงอยู่ในรูป:

การจำแนกประเภทเลเซอร์: โดยทั่วไปจะจำแนกตามตัวกลางเพิ่มกำลังแสงหรือตามรูปแบบพลังงานของเลเซอร์

ได้รับการจัดประเภทระดับปานกลาง:

เลเซอร์คาร์บอนไดออกไซด์ตัวกลางเพิ่มกำลังของเลเซอร์คาร์บอนไดออกไซด์คือฮีเลียมและเลเซอร์ CO2ด้วยความยาวคลื่นเลเซอร์ 10.6 ไมโครเมตร ซึ่งเป็นหนึ่งในผลิตภัณฑ์เลเซอร์รุ่นแรกๆ ที่วางจำหน่าย การเชื่อมด้วยเลเซอร์ในยุคแรกๆ ส่วนใหญ่ใช้เลเซอร์คาร์บอนไดออกไซด์ ซึ่งปัจจุบันส่วนใหญ่ใช้สำหรับการเชื่อมและตัดวัสดุที่ไม่ใช่โลหะ (ผ้า พลาสติก ไม้ ฯลฯ) นอกจากนี้ยังใช้ในเครื่องพิมพ์หินอีกด้วย เลเซอร์คาร์บอนไดออกไซด์ไม่สามารถส่งผ่านใยแก้วนำแสงได้และเดินทางผ่านเส้นทางแสงในอวกาศ การเชื่อมด้วยเลเซอร์ในยุคแรกๆ ทำได้ค่อนข้างดี และมีการใช้อุปกรณ์ตัดจำนวนมาก

เลเซอร์ YAG (อิตเทรียมอะลูมิเนียมการ์เนต): ผลึก YAG ที่เจือด้วยไอออนโลหะนีโอดีเมียม (Nd) หรืออิตเทรียม (Yb) ถูกใช้เป็นตัวกลางเพิ่มกำลังเลเซอร์ โดยมีคลื่นความยาวการปล่อยแสง 1.06 ไมโครเมตร เลเซอร์ YAG สามารถสร้างพัลส์ได้สูง แต่กำลังเฉลี่ยต่ำ และกำลังสูงสุดสามารถสูงถึง 15 เท่าของกำลังเฉลี่ย หากเป็นเลเซอร์แบบพัลส์เป็นหลัก จะไม่สามารถให้เอาต์พุตต่อเนื่องได้ แต่สามารถส่งผ่านใยแก้วนำแสงได้ และในขณะเดียวกัน อัตราการดูดซับของวัสดุโลหะก็เพิ่มขึ้น และเริ่มนำไปประยุกต์ใช้ในวัสดุที่มีการสะท้อนแสงสูง โดยเริ่มแรกนำไปใช้ในด้าน 3C

เลเซอร์ไฟเบอร์: ปัจจุบันเลเซอร์ที่ได้รับความนิยมในตลาดส่วนใหญ่ใช้เส้นใยที่เจือด้วยอิตเทอร์เบียมเป็นตัวกลางเพิ่มกำลังแสง โดยมีความยาวคลื่น 1060 นาโนเมตร และยังแบ่งออกเป็นเลเซอร์ไฟเบอร์และเลเซอร์ดิสก์ตามรูปร่างของตัวกลาง โดยเลเซอร์ไฟเบอร์หมายถึง IPG (Intelligent Fiber Generator) และเลเซอร์ดิสก์หมายถึง Tongkuai (Tongkuai)

เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์: ตัวกลางเพิ่มกำลังแสงคือรอยต่อ PN ของเซมิคอนดักเตอร์ และความยาวคลื่นของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ส่วนใหญ่อยู่ที่ 976 นาโนเมตร ปัจจุบัน เลเซอร์อินฟราเรดใกล้เซมิคอนดักเตอร์ส่วนใหญ่ใช้สำหรับการหุ้มฉนวน โดยมีจุดแสงขนาดมากกว่า 600 ไมโครเมตร Laserline เป็นบริษัทตัวแทนในด้านเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์

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

เลเซอร์แบบพัลส์: เลเซอร์พัลส์ความถี่สูง (ns, ความกว้างพัลส์) เหล่านี้ มักให้พลังงานสูงสุดสูงและความถี่สูง (MHZ) ใช้ในการแปรรูปวัสดุต่างชนิดกัน เช่น ทองแดงและอลูมิเนียมที่บาง รวมถึงการทำความสะอาดเป็นส่วนใหญ่ การใช้พลังงานสูงสุดสูงทำให้สามารถหลอมวัสดุพื้นฐานได้อย่างรวดเร็ว ด้วยเวลาในการทำงานต่ำและบริเวณที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนขนาดเล็ก มีข้อดีในการแปรรูปวัสดุที่บางมาก (ต่ำกว่า 0.5 มม.)

เลเซอร์แบบกึ่งต่อเนื่อง (QCW): เนื่องจากอัตราการทำซ้ำสูงและรอบการทำงานต่ำ (ต่ำกว่า 50%) ความกว้างของพัลส์จึง...เลเซอร์ QCWเลเซอร์ชนิดนี้มีความยาวคลื่น 50-50 มิลลิวินาที ซึ่งอยู่ระหว่างเลเซอร์ไฟเบอร์แบบต่อเนื่องระดับกิโลวัตต์และเลเซอร์พัลส์แบบ Q-switched กำลังสูงสุดของเลเซอร์ไฟเบอร์แบบกึ่งต่อเนื่องสามารถสูงถึง 10 เท่าของกำลังเฉลี่ยในโหมดการทำงานแบบต่อเนื่อง โดยทั่วไปเลเซอร์ QCW มีสองโหมด คือ โหมดการเชื่อมแบบต่อเนื่องที่กำลังต่ำ และโหมดการเชื่อมด้วยเลเซอร์แบบพัลส์ที่มีกำลังสูงสุด 10 เท่าของกำลังเฉลี่ย ซึ่งสามารถเชื่อมวัสดุที่หนาขึ้นและให้ความร้อนได้มากขึ้น ในขณะเดียวกันก็ควบคุมความร้อนให้อยู่ในขอบเขตที่แคบมาก

เลเซอร์แบบต่อเนื่อง (CW): นี่คือเลเซอร์ที่ใช้กันมากที่สุด และเลเซอร์ส่วนใหญ่ในท้องตลาดเป็นเลเซอร์แบบ CW ที่ปล่อยแสงเลเซอร์อย่างต่อเนื่องสำหรับกระบวนการเชื่อม เลเซอร์ไฟเบอร์แบ่งออกเป็นเลเซอร์แบบโหมดเดี่ยวและแบบหลายโหมดตามขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางแกนและคุณภาพลำแสงที่แตกต่างกัน และสามารถปรับให้เข้ากับสถานการณ์การใช้งานต่างๆ ได้