Kumumanaʻo o ka Hana ʻana o ka Laser

No ke aha mākou e pono ai e ʻike i ke ʻano o ka hana ʻana o nā lasers?

Ke ʻike nei i nā ʻokoʻa ma waena o nā lasers semiconductor maʻamau, nā fibers, nā discs, a meKukuna YAGhiki ke kōkua i ka loaʻa ʻana o kahi ʻike maikaʻi a komo i nā kūkākūkā hou aʻe i ke kaʻina koho.

ʻO ke kumu nui o ka ʻatikala, ʻo ia ka ʻepekema kaulana: kahi hoʻolauna pōkole i ke kumumanaʻo o ka hana laser, ke ʻano nui o nā lasers, a me kekahi mau ʻano lasers maʻamau.

ʻO ka mea mua, ke kumumanaʻo o ka hana laser

Hoʻokumu ʻia ka Laser ma o ka pilina ma waena o ka mālamalama a me ka mea, i ʻike ʻia ʻo ka hoʻonui ʻana i ka radiation stimulated; ʻO ka hoʻomaopopo ʻana i ka hoʻonui ʻana i ka radiation stimulated e pono ai ka hoʻomaopopo ʻana i nā manaʻo o Einstein no ka hoʻokuʻu koke ʻana, ka absorption stimulated, a me ka radiation stimulated, a me kekahi mau kumu kumumanaʻo e pono ai.

Kumu Manaʻo 1: Ke Kumu Hoʻohālike Bohr

ʻO ke kumu hoʻohālike Bohr ka mea nui e hāʻawi i ka ʻano kūloko o nā ʻātoma, e maʻalahi ai ke hoʻomaopopo pehea e hana ai nā lasers. Hana ʻia kahi ʻātoma me kahi nucleus a me nā electrons ma waho o ka nucleus, a ʻaʻole kūʻokoʻa nā orbitals o nā electrons. Loaʻa i nā electrons kekahi mau orbitals, kahi i kapa ʻia ai ka orbital o loko ʻo ke kūlana honua; Inā aia kahi electron i ke kūlana honua, ʻo kona ikehu ka haʻahaʻa loa. Inā lele kahi electron mai kahi orbit, ua kapa ʻia ʻo ia ka mokuʻāina hoʻonāukiuki mua, a ʻoi aku ka kiʻekiʻe o ka ikehu o ke kūlana hoʻonāukiuki mua ma mua o ke kūlana honua; Ua kapa ʻia kekahi orbit ʻē aʻe ʻo ke kūlana hoʻonāukiuki lua;

ʻO ke kumu e hiki ai i ka laser ke hana ʻia no ka mea e neʻe nā electrons i nā orbits like ʻole ma kēia kumu hoʻohālike. Inā omo nā electrons i ka ikehu, hiki iā lākou ke holo mai ke kūlana honua a i ke kūlana hoʻonāukiuki; Inā hoʻi kahi electron mai ke kūlana hoʻonāukiuki a i ke kūlana honua, e hoʻokuʻu ia i ka ikehu, kahi i hoʻokuʻu pinepine ʻia ma ke ʻano o ka laser.

Kumu Manaʻo 2: Ke Kumumanaʻo Hoʻoulu ʻia o Einstein i ka Radiation

I ka makahiki 1917, ua hāpai ʻo Einstein i ke kumumanaʻo o ka radiation stimulated, ʻo ia ke kumu kumumanaʻo no nā lasers a me ka hana laser: ʻo ka omo ʻana a i ʻole ka hoʻokuʻu ʻana o nā mea, ʻo ia ka hopena o ka pilina ma waena o ke kahua radiation a me nā ʻāpana e hana ana i nā mea, a ʻo kona ʻano nui ka hoʻololi ʻana o nā ʻāpana ma waena o nā pae ikehu like ʻole. ʻEkolu mau kaʻina hana like ʻole i ka pilina ma waena o ka mālamalama a me nā mea: ka hoʻokuʻu koke ʻana, ka hoʻokuʻu ʻana i hoʻoulu ʻia, a me ka omo ʻana i hoʻoulu ʻia. No kahi ʻōnaehana e loaʻa ana ka nui o nā ʻāpana, e noho pū ana kēia mau kaʻina hana ʻekolu a pili loa.

Hoʻokuʻu koke ʻia:

E like me ka mea i hōʻike ʻia ma ke kiʻi: kahi electron ma ka pae ikehu kiʻekiʻe E2 e neʻe kūʻokoʻa i ka pae ikehu haʻahaʻa E1 a hoʻopuka i kahi photon me ka ikehu o hv, a me hv = E2-E1; ʻO kēia kaʻina hoʻololi kūʻokoʻa a pili ʻole ʻia ua kapa ʻia he hoʻololi kūʻokoʻa, a ʻo nā nalu māmā i hoʻopuka ʻia e nā hoʻololi kūʻokoʻa ua kapa ʻia he radiation kūʻokoʻa.

ʻO nā ʻano o ka hoʻokuʻu koke ʻana: Kūʻokoʻa kēlā me kēia photon, me nā kuhikuhi a me nā pae like ʻole, a he random hoʻi ka manawa hanana. No ke kukui incoherent a chaotic, ʻaʻole ia ke kukui e pono ai ka laser. No laila, pono e hoʻemi ke kaʻina hana laser i kēia ʻano kukui hele hewa. ʻO ia kekahi o nā kumu i loaʻa ai ka nalu o nā lasers like ʻole i ka mālamalama hele hewa. Inā kāohi maikaʻi ʻia, hiki ke hoʻowahāwahā ʻia ka hapa o ka hoʻokuʻu koke ʻana i ka laser. ʻO ka maʻemaʻe o ka laser, e like me 1060 nm, ʻo 1060 nm wale nō, Loaʻa i kēia ʻano laser kahi helu absorption a me ka mana paʻa.

Hoʻoulu ʻia ka omo ʻana:

ʻO nā electrons ma nā pae ikehu haʻahaʻa (haʻahaʻa orbitals), ma hope o ke omo ʻana i nā photons, e neʻe i nā pae ikehu kiʻekiʻe (kiʻekiʻe orbitals), a ua kapa ʻia kēia kaʻina hana he stimulated absorption. He mea koʻikoʻi ka absorption stimulated a ʻo ia kekahi o nā kaʻina hana pumping koʻikoʻi. Hāʻawi ke kumu pump o ka laser i ka ikehu photon e hoʻoulu i nā ʻāpana i loko o ka gain medium e hoʻololi a kali no ka radiation stimulated ma nā pae ikehu kiʻekiʻe, e hoʻopuka ana i ka laser.

Hoʻoulu ʻia ka radiation:

Ke hoʻomālamalama ʻia e ke kukui o ka ikehu waho (hv=E2-E1), hoʻonāukiuki ʻia ka electron ma ka pae ikehu kiʻekiʻe e ka photon waho a lele i ka pae ikehu haʻahaʻa (holo ka orbit kiʻekiʻe i ka orbit haʻahaʻa). I ka manawa like, hoʻopuka ia i kahi photon e like me ka photon waho. ʻAʻole omo kēia kaʻina hana i ka mālamalama hoʻonāukiuki mua, no laila e loaʻa nā photons like ʻelua, hiki ke hoʻomaopopo ʻia i ka wā e kuha ai ka electron i ka photon i omo mua ʻia. Ua kapa ʻia kēia kaʻina hana luminescence he radiation stimulated, ʻo ia ke kaʻina hana hope o ka omo stimulated.

Ma hope o ka maopopo ʻana o ke kumumanaʻo, he mea maʻalahi loa ke kūkulu ʻana i kahi laser, e like me ka mea i hōʻike ʻia ma ke kiʻi ma luna: ma lalo o nā kūlana maʻamau o ke kūpaʻa o ka mea, aia ka hapa nui o nā electrons ma ke kūlana honua, nā electrons ma ke kūlana honua, a hilinaʻi ka laser i ka radiation i hoʻoulu ʻia. No laila, ʻo ke ʻano o ka laser e ʻae i ka omo ʻana i hoʻoulu ʻia e hana mua, e lawe mai i nā electrons i ka pae ikehu kiʻekiʻe, a laila e hāʻawi ana i kahi hoʻonāukiuki e hoʻoulu ai i ka nui o nā electrons pae ikehu kiʻekiʻe e hele i ka radiation i hoʻoulu ʻia, e hoʻokuʻu ana i nā photons, Mai kēia, hiki ke hana ʻia ka laser. A laila, e hoʻolauna mākou i ke ʻano laser.

ʻAno laser:

E hoʻohālikelike i ke ʻano o ka laser me nā kūlana hana laser i ʻōlelo ʻia ma mua pākahi:

Ke kūlana o ka hanana a me ke ʻano like:

1. Aia kahi mea loaʻa e hāʻawi ana i ka hopena hoʻonui ma ke ʻano he mea hana laser, a ʻo kāna mau ʻāpana i hoʻāla ʻia he ʻano pae ikehu kūpono no ka hoʻoulu ʻana i ka radiation i hoʻoulu ʻia (hiki ke hoʻoulu i nā electrons i nā orbitals ikehu kiʻekiʻe a noho no kekahi manawa, a laila e hoʻokuʻu i nā photons i hoʻokahi hanu ma o ka radiation i hoʻoulu ʻia);

2. Aia kekahi kumu hoʻonāukiuki waho (kumu pamu) hiki ke pamu i nā electrons mai ka pae haʻahaʻa a i ka pae kiʻekiʻe, e hana ana i ka hoʻohuli ʻana o ka helu ʻāpana ma waena o nā pae kiʻekiʻe a me lalo o ka laser (ʻo ia hoʻi, i ka wā he nui aku nā ʻāpana ikehu kiʻekiʻe ma mua o nā ʻāpana ikehu haʻahaʻa), e like me ke kukui xenon i nā lasers YAG;

3. Aia kahi lua resonant e hiki ai ke hoʻokō i ka oscillation laser, hoʻonui i ka lōʻihi hana o ka mea hana laser, pale i ke ʻano nalu māmā, kaohi i ke kuhikuhi hoʻolaha o ke kukuna, hoʻonui koho i ke alapine radiation i hoʻoulu ʻia e hoʻomaikaʻi i ka monochromaticity (e hōʻoia ana ua hoʻopuka ʻia ka laser ma kahi ikehu).

Ua hōʻike ʻia ke ʻano like ma ke kiʻi ma luna, ʻo ia hoʻi kahi ʻano maʻalahi o ka laser YAG. ʻOi aku ka paʻakikī o nā ʻano ʻē aʻe, akā ʻo ke kumu kēia. Ua hōʻike ʻia ke kaʻina hana laser ma ke kiʻi:

Hoʻokaʻawale ʻana o ka laser: hoʻokaʻawale nui ʻia e ka loaʻa waena a i ʻole ke ʻano ikehu laser

Ka hoʻokaʻawale ʻana o ka loaʻa waena:

Laser kalapona ʻokikeneʻO ka mea loaʻa o ka laser carbon dioxide he helium aKukuna CO2,me ka nalu laser o 10.6um, ʻo ia kekahi o nā huahana laser mua loa i hoʻokuʻu ʻia. ʻO ke kuʻi laser mua i hoʻokumu nui ʻia ma ka laser carbon dioxide, ka mea i hoʻohana nui ʻia i kēia manawa no ka kuʻi ʻana a me ka ʻoki ʻana i nā mea ʻaʻole metala (nā lole, nā plastics, ka lāʻau, a me nā mea ʻē aʻe). Eia kekahi, hoʻohana ʻia hoʻi ma nā mīkini lithography. ʻAʻole hiki ke hoʻoili ʻia ka laser carbon dioxide ma o nā fiber optical a hele ma nā ala optical spatial, ua hana maikaʻi ʻia ka Tongkuai mua loa, a ua hoʻohana ʻia ka nui o nā lako ʻoki;

ʻO ka laser YAG (yttrium aluminum garnet): Hoʻohana ʻia nā kristal YAG i hoʻopili ʻia me nā ion metala neodymium (Nd) a i ʻole yttrium (Yb) ma ke ʻano he medium loaʻa laser, me ka nalu hoʻokuʻu o 1.06um. Hiki i ka laser YAG ke hoʻopuka i nā pulse kiʻekiʻe, akā haʻahaʻa ka mana awelika, a hiki i ka mana kiʻekiʻe ke hiki i 15 mau manawa o ka mana awelika. Inā he laser pulse nui ia, ʻaʻole hiki ke hoʻokō ʻia ka hoʻopuka mau; Akā hiki ke hoʻouna ʻia ma o nā fiber optical, a i ka manawa like, piʻi ka helu omo o nā mea metala, a hoʻomaka ia e hoʻopili ʻia i nā mea reflectivity kiʻekiʻe, i hoʻopili mua ʻia ma ke kahua 3C;

Laser Fiber: ʻO ka mea nui o kēia manawa ma ka mākeke e hoʻohana ana i ka fiber doped ytterbium ma ke ʻano he medium gain, me ka nalu o 1060nm. Ua māhele hou ʻia i nā lasers fiber a me disc e pili ana i ke ʻano o ka medium; Hōʻike ka fiber optic iā IPG, ʻoiai ʻo disc e hōʻike ana iā Tongkuai.

Laser Semiconductor: ʻO ka mea loaʻa ka semiconductor PN junction, a ʻo ka nalu o ka laser semiconductor ma 976nm ka nui. I kēia manawa, hoʻohana nui ʻia nā lasers semiconductor kokoke-infrared no ka uhi ʻana, me nā wahi kukui ma luna o 600um. ʻO Laserline kahi ʻoihana ʻelele o nā lasers semiconductor.

Hoʻokaʻawale ʻia e ke ʻano o ka hana ikehu: Pulse laser (PULSE), quasi continuous laser (QCW), continuous laser (CW)

ʻO ka laser pulse: nanosecond, picosecond, femtosecond, hiki i kēia laser pulse alapine kiʻekiʻe (ns, pulse width) ke hoʻokō pinepine i ka ikehu piko kiʻekiʻe, ka hana alapine kiʻekiʻe (MHZ), hoʻohana ʻia no ka hana ʻana i nā mea keleawe lahilahi a me ka alumini like ʻole, a me ka hoʻomaʻemaʻe nui ʻana. Ma ka hoʻohana ʻana i ka ikehu piko kiʻekiʻe, hiki iā ia ke hoʻoheheʻe koke i ka mea kumu, me ka manawa hana haʻahaʻa a me ka wahi liʻiliʻi i hoʻopilikia ʻia e ka wela. Loaʻa iā ia nā pono i ka hana ʻana i nā mea lahilahi loa (ma lalo o 0.5mm);

ʻO ka laser hoʻomau Quasi (QCW): Ma muli o ka nui o ka hana hou ʻana a me ke kaʻina hana haʻahaʻa (ma lalo o 50%), ʻo ka laulā pulse oKukuna QCWhiki i 50 us-50 ms, e hoʻopiha ana i ka hakahaka ma waena o ka laser fiber hoʻomau kilowatt level a me ka laser pulse Q-switched; Hiki i ka mana kiʻekiʻe o kahi laser fiber hoʻomau quasi ke hiki i ka 10 mau manawa o ka mana awelika ma lalo o ka hana mode hoʻomau. Loaʻa i nā lasers QCW ʻelua mau ʻano, ʻo kekahi ka hoʻomau ʻana o ka wili ma ka mana haʻahaʻa, a ʻo kekahi ka pulsed laser welding me ka mana kiʻekiʻe o 10 mau manawa o ka mana awelika, hiki ke hoʻokō i nā mea mānoanoa a me ka hoʻomau ʻana o ka wela, ʻoiai ke kāohi nei i ka wela i loko o kahi liʻiliʻi loa;

ʻO ka Laser Hoʻomau (CW): ʻO kēia ka mea i hoʻohana pinepine ʻia, a ʻo ka hapa nui o nā lasers i ʻike ʻia ma ka mākeke he mau lasers CW e hoʻopuka mau ana i ka laser no ka hana kuʻihao. Ua māhele ʻia nā lasers fiber i nā lasers mode hoʻokahi a me nā multi-mode e like me nā diameters core like ʻole a me nā ʻano kukuna, a hiki ke hoʻololi ʻia i nā hiʻohiʻona noi like ʻole.