פּרינציפּ פון לאַזער דזשענעריישאַן

פארוואס דארפן מיר וויסן דעם פרינציפ פון לאזערס?

וויסן די אונטערשיידן צווישן געוויינטלעכע האַלב-קאָנדוקטאָר לייזערס, פֿײַבערס, דיסקס, אוןיאַג לאַזערקען אויך העלפֿן צו באַקומען אַ בעסער פֿאַרשטאַנד און זיך באַטייליקן אין מער דיסקוסיעס בעת דעם אויסוואַל פּראָצעס.

דער אַרטיקל פֿאָקוסירט זיך דער עיקר אויף פּאָפּולערער וויסנשאַפֿט: אַ קורצע הקדמה צום פּרינציפּ פֿון לאַזער דזשענעריישאַן, די הויפּט סטרוקטור פֿון לאַזערס, און עטלעכע געוויינטלעכע טיפּן לאַזערס.

ערשטנס, דער פּרינציפּ פון לאַזער דזשענעריישאַן

לאַזער ווערט גענערירט דורך דער אינטעראַקציע צווישן ליכט און מאַטעריע, באַקאַנט ווי סטימולירטע ראַדיאַציע אַמפּליפיקאַציע; פֿאַרשטיין סטימולירטע ראַדיאַציע אַמפּליפיקאַציע ריקווייערז פֿאַרשטיין איינשטיין'ס קאָנצעפּטן פון ספּאָנטאַנע ימישאַן, סטימולירטע אַבזאָרפּציע און סטימולירטע ראַדיאַציע, ווי אויך עטלעכע נייטיקע טעאָרעטישע יסודות.

טעאָרעטישע באַזע 1: באָהר מאָדעל

דאס באָהר מאָדעל גיט בעיקר די אינערלעכע סטרוקטור פון אַטאָמען, מאַכנדיג עס גרינג צו פֿאַרשטיין ווי לאַזערס פּאַסירן. אַן אַטאָם איז צוזאַמענגעשטעלט פון אַ קערן און עלעקטראָנען אַרויס דעם קערן, און די אָרביטאַלן פון עלעקטראָנען זענען נישט אַרביטרעריש. עלעקטראָנען האָבן בלויז געוויסע אָרביטאַלן, צווישן וועלכע דער אינעווייניקסטער אָרביטאַל ווערט גערופן דער גרונט צושטאַנד; אויב אַן עלעקטראָן איז אין גרונט צושטאַנד, איז זיין ענערגיע די נידעריגסטע. אויב אַן עלעקטראָן שפּרינגט אַרויס פון אַן אָרביט, ווערט עס גערופן דער ערשטער אויפֿגערעגטער צושטאַנד, און די ענערגיע פון ​​דעם ערשטן אויפֿגערעגטן צושטאַנד וועט זיין העכער ווי יענע פון ​​גרונט צושטאַנד; אַן אַנדער אָרביט ווערט גערופן דער צווייטער אויפֿגערעגטער צושטאַנד;

די סיבה פארוואס א לאזער קען פאסירן איז ווייל עלעקטראנען וועלן זיך באוועגן אין פארשידענע ארביטן אין דעם מאדעל. אויב עלעקטראנען אבזארבירן ענערגיע, קענען זיי לויפן פון דעם גרונט צושטאנד צום אויפגערעגטן צושטאנד; אויב אן עלעקטראן קערט זיך צוריק פון דעם אויפגערעגטן צושטאנד צום גרונט צושטאנד, וועט ער ארויסלאזן ענערגיע, וואס ווערט אפט ארויסגעלאזט אין דער פארעם פון א לאזער.

טעאָרעטישע באַזע 2: איינשטיין'ס סטימולירטע ראַדיאַציע טעאָריע

אין 1917, האט איינשטיין פארגעשטעלט די טעאריע פון ​​סטימולירטער שטראלונג, וואס איז די טעארעטישע באזע פאר לאזערס און לאזער פראדוקציע: די אבסארפציע אדער אויסשטראלונג פון מאטעריע איז אין עיקר דער רעזולטאט פון דער אינטעראקציע צווישן דעם שטראלונג פעלד און די טיילכלעך וואס מאכן אויס מאטעריע, און איר הויפט עסענץ איז דער איבערגאנג פון טיילכלעך צווישן פארשידענע ענערגיע לעוועלס. עס זענען דא דריי פארשידענע פראצעסן אין דער אינטעראקציע צווישן ליכט און מאטעריע: ספאנטאנע אויסשטראלונג, סטימולירטע אויסשטראלונג, און סטימולירטע אבסארפציע. פאר א סיסטעם וואס אנטהאלט א גרויסע צאל טיילכלעך, עקזיסטירן די דריי פראצעסן שטענדיג צוזאמען און זענען ענג פארבונדן.

ספאנטאנישע עמיסיע:

ווי געוויזן אין דער פיגור: אַן עלעקטראָן אויף דעם הויך-ענערגיע לעוועל E2 גייט ספּאָנטאַן איבער צום נידעריק-ענערגיע לעוועל E1 און עמיטירט אַ פאָטאָן מיט אַן ענערגיע פון ​​hv, און hv=E2-E1; דער ספּאָנטאַנער און נישט-פֿאַרבונדענער איבערגאַנג פּראָצעס ווערט גערופן ספּאָנטאַנער איבערגאַנג, און די ליכט כוואַליעס וואָס ווערן עמיטירט דורך ספּאָנטאַנע איבערגאַנגען ווערן גערופן ספּאָנטאַנע ראַדיאַציע.

די אייגנשאַפטן פון ספּאָנטאַנער עמיסיע: יעדער פאָטאָן איז אומאָפּהענגיק, מיט אַנדערע ריכטונגען און פאַזעס, און די צייט פון אויפטרעטן איז אויך צופעליק. עס געהערט צו נישט-קאָוכירענט און כאַאָטיש ליכט, וואָס איז נישט די ליכט וואָס דער לאַזער דאַרף. דעריבער, דאַרף דער לאַזער דזשענעריישאַן פּראָצעס רעדוצירן דעם טיפּ פון פאַרשוואַנדערט ליכט. דאָס איז אויך איינע פון ​​די סיבות פאַרוואָס די כוואַליע-לענג פון פֿאַרשידענע לאַזערס האט פאַרשוואַנדערט ליכט. אויב גוט קאָנטראָלירט, קען מען איגנאָרירן דעם פּראָפּאָרציע פון ​​ספּאָנטאַנער עמיסיע אין דעם לאַזער. ווי ריינער דער לאַזער, ווי 1060 נאַנאָמעטער, אַלץ איז 1060 נאַנאָמעטער. דער טיפּ לאַזער האט אַ רעלאַטיוו סטאַבילע אַבזאָרפּציע קורס און מאַכט.

סטימולירטע אַבזאָרפּציע:

עלעקטראָנען ביי נידעריקע ענערגיע לעוועלס (נידעריקע אָרביטאַלן), נאָך אַבזאָרבירן פאָטאָנען, גייען איבער צו העכערע ענערגיע לעוועלס (הויכע אָרביטאַלן), און דעם פּראָצעס ווערט גערופן סטימולירטע אַבזאָרפּציע. סטימולירטע אַבזאָרפּציע איז קריטיש און איינער פון די שליסל פּאָמפּע פּראָצעסן. די פּאָמפּע מקור פון די לאַזער גיט פאָטאָן ענערגיע צו פאַרשאַפן פּאַרטיקלען אין די געווינס מעדיום צו איבערגיין און וואַרטן אויף סטימולירטע ראַדיאַציע ביי העכערע ענערגיע לעוועלס, עמיטינג די לאַזער.

סטימולירטע ראַדיאַציע:

ווען באַשטראַלט מיט ליכט פון עקסטערנער ענערגיע (hv=E2-E1), ווערט דער עלעקטראָן אויפן הויכן ענערגיע לעוועל אויפגערעגט דורך דעם עקסטערנעם פאָטאָן און שפּרינגט צום נידעריקן ענערגיע לעוועל (די הויכע אָרביט לויפט צום נידעריקן אָרביט). אין דער זעלבער צייט, עמיטירט עס אַ פאָטאָן וואָס איז פּונקט דער זעלביקער ווי דער עקסטערנער פאָטאָן. דער פּראָצעס אַבזאָרבירט נישט דאָס אָריגינעלע אויפרעגונג ליכט, אַזוי וועלן זיין צוויי אידענטישע פאָטאָנען, וואָס קען מען פֿאַרשטיין ווי דער עלעקטראָן שפּייט אַרויס דעם פריער אַבזאָרבירטן פאָטאָן. דער לומינעסענס פּראָצעס ווערט גערופן סטימולירטע ראַדיאַציע, וואָס איז דער פאַרקערטער פּראָצעס פון סטימולירטער אַבזאָרפּציע.

נאכדעם וואס די טעאריע איז קלאר, איז עס זייער פשוט צו בויען א לייזער, ווי געוויזן אין דער אויבנדערמאנטער פיגור: אונטער נארמאלע באדינגונגען פון מאטעריאל סטאביליטעט, זענען די גרויסע מערהייט פון עלעקטראנען אין גרונד צושטאנד, עלעקטראנען אין גרונד צושטאנד, און לייזער איז אפהענגיק פון סטימולירטע ראדיאציע. דעריבער, די סטרוקטור פון לייזער איז צו ערלויבן סטימולירטע אבסארפציע צו פאסירן ערשט, ברענגענדיג עלעקטראנען צו א הויכן ענערגיע לעוועל, און דערנאך צושטעלנדיג אן עקסייטאציע צו פאראורזאכן א גרויסע צאל הויך-ענערגיע לעוועל עלעקטראנען צו דורכגיין סטימולירטע ראדיאציע, באפרייענדיג פאטאנען, פון דעם קען מען שאפן א לייזער. ווייטער, וועלן מיר פארשטעלן די לייזער סטרוקטור.

לאַזער סטרוקטור:

צופּאַסן די לאַזער סטרוקטור מיט די לאַזער דזשענעריישאַן באדינגונגען וואָס זענען פריער דערמאָנט געוואָרן איינס נאָך דעם אַנדערן:

צושטאַנד פון אויפטרעטן און קאָרעספּאָנדירנדיקע סטרוקטור:

1. עס איז דא א געווינס מעדיום וואס גיט א פארשטארקערונג-עפעקט אלס דער לאזער ארבעטס מעדיום, און זיינע אקטיוויירטע פארטיקלען האבן אן ענערגיע-לעוועל סטרוקטור וואס איז פאסיג פארן שאפן סטימולירטע ראדיאציע (הויפּטזעכליך קענען זיי פאמפן עלעקטראנען צו הויך-ענערגיע ארביטאלן און עקזיסטירן פאר א געוויסע צייט, און דערנאך ארויסלאזן פאטאנען אין איין אטעם דורך סטימולירטע ראדיאציע);

2. עס איז דא אן עקסטערנע אויפרעגונג מקור (פאמפ מקור) וואס קען פאמפן עלעקטראנען פון דעם נידעריגערן לעוועל צום אויבערשטן לעוועל, וואס פירט צו א פארטיקל נומער אינווערסיע צווישן די אויבערשטע און נידעריגערע לעוועלס פון דעם לייזער (ד"ה, ווען עס זענען דא מער הויך-ענערגיע פארטיקלען ווי נידעריג-ענערגיע פארטיקלען), ווי צום ביישפיל די קסענאן לאמפ אין YAG לייזערן;

3. עס איז דא א רעזאנאנטע קאווטי וואס קען דערגרייכן לאזער אסצילאציע, פארגרעסערן די ארבעטס לענג פון די לאזער ארבעטס מאטעריאל, סקרינען די ליכט כוואליע מאָדע, קאנטראלירן די פארשפרייטונג ריכטונג פון די שטראל, סעלעקטיוו פארשטארקן די סטימולירטע ראדיאציע פרעקווענץ צו פארבעסערן מאנאכראמאטיקיטי (זיכער מאכן אז דער לאזער ווערט ארויסגעגעבן מיט א געוויסע ענערגיע).

די קאָרעספּאָנדירנדיקע סטרוקטור ווערט געוויזן אין דער אויבנדיקער פיגור, וואָס איז אַ פּשוטע סטרוקטור פון אַ YAG לאַזער. אַנדערע סטרוקטורן קענען זיין מער קאָמפּליצירט, אָבער דער קערן איז דאָס. דער לאַזער דזשענעריישאַן פּראָצעס ווערט געוויזן אין דער פיגור:

לאַזער קלאַסיפֿיקאַציע: בכלל קלאַסיפֿיצירט לויט געווינס מעדיום אָדער לויט לאַזער ענערגיע פֿאָרעם

געווינס מיטל קלאַסיפיקאַציע:

קאַרבאָן דייאַקסייד לאַזערדי געווינס מיטל פון קאַרבאָן דייאַקסייד לאַזער איז העליום אוןCO2 לאַזער,מיט אַ לאַזער כוואַליע לענג פון 10.6µm, וואָס איז איינער פון די ערשטע לאַזער פּראָדוקטן צו זיין לאָנטשט. די ערשטע לאַזער וועַלדינג איז געווען באַזירט מערסטנס אויף קאַרבאָן דייאַקסייד לאַזער, וואָס איז איצט מערסטנס געניצט פֿאַר וועַלדינג און שניידן ניט-מעטאַליק מאַטעריאַלס (שטאָף, פּלאַסטיק, האָלץ, אאז"וו). אין דערצו, עס איז אויך געניצט אויף ליטאָגראַפֿיע מאשינען. קאַרבאָן דייאַקסייד לאַזער קען נישט טראַנסמיטטעד דורך אָפּטישע פֿאַזערס און רייזאַז דורך ספּיישאַל אָפּטישע פּאַטס, די ערשטע טאָנגקואַי איז געווען געמאכט לעפיערעך גוט, און אַ פּלאַץ פון שניידן ויסריכט איז געניצט;

YAG (יטריום אַלומינום גאַרנעט) לאַזער: YAG קריסטאַלן דאָפּירט מיט נעאָדימיום (Nd) אָדער איטריום (Yb) מעטאַל יאָנען ווערן גענוצט ווי דער לאַזער געווינס מעדיום, מיט אַן עמיסיע כוואַליע לענג פון 1.06µm. דער YAG לאַזער קען אַרויסגעבן העכערע פּולסן, אָבער די דורכשניטלעך מאַכט איז נידעריק, און די שפּיץ מאַכט קען דערגרייכן 15 מאָל די דורכשניטלעך מאַכט. אויב עס איז דער הויפּט אַ פּולס לאַזער, קען מען נישט דערגרייכן קאָנטינויִערלעך רעזולטאַט; אָבער עס קען ווערן טראַנסמיטטעד דורך אָפּטישע פֿאַזערס, און אין דער זעלביקער צייט, די אַבזאָרפּשאַן קורס פון מעטאַל מאַטעריאַלס פאַרגרעסערט זיך, און עס הייבט אָן צו ווערן גענוצט אין הויך רעפלעקטיוויטי מאַטעריאַלס, ערשט גענוצט אין די 3C פעלד;

פיבער לאַזער: דער היינטיקער הויפּטשטראָם אויפן מאַרק ניצט איטערביום דאָפּירטע פיבער ווי דער געווינס מעדיום, מיט אַ כוואַליע לענג פון 1060 נם. עס איז ווייטער צעטיילט אין פיבער און דיסק לאַזערס באַזירט אויף דער פאָרעם פון דעם מעדיום; פיבער אָפּטיק רעפּרעזענטירט IPG, בשעת דיסק רעפּרעזענטירט טאָנגקואַי.

האַלב-קאָנדוקטאָר לאַזער: דער געווינס מעדיום איז אַ האַלב-קאָנדוקטאָר פּ.נ. דזשאַנקשאַן, און די כוואַליע לענג פון די האַלב-קאָנדוקטאָר לאַזער איז דער הויפּט ביי 976 נאַנאָמעטער. איצט, האַלב-קאָנדוקטאָר נאָענט-ינפראַרעד לאַזערס ווערן דער הויפּט געניצט פֿאַר קלאַדינג, מיט ליכט ספּאַץ העכער 600 µm. לאַזערליין איז אַ רעפּרעזענטאַטיוו פירמע פון ​​האַלב-קאָנדוקטאָר לאַזערס.

קלאַסיפֿיצירט לויט דער פֿאָרעם פֿון ענערגיע־אַקציע: פּולס־לאַזער (PULSE), קוואַזי־קאָנטינויִערלעכער לאַזער (QCW), קאָנטינויִערלעכער לאַזער (CW)

פּולס לאַזער: נאַנאָסעקונד, פּיקאָסעקונד, פֿעמטאָסעקונד, דער הויך-פֿרעקווענץ פּולס לאַזער (ns, פּולס ברייט) קען אָפֿט דערגרייכן הויך שפּיץ ענערגיע, הויך-פֿרעקווענץ (MHZ) פּראַסעסינג, געניצט פֿאַר פּראַסעסינג דין קופּער און אַלומינום פֿאַרשידענע מאַטעריאַלן, ווי אויך רייניקונג מערסטנס. דורך ניצן הויך שפּיץ ענערגיע, קען עס שנעל צעשמעלצן דעם באַזע מאַטעריאַל, מיט אַ נידעריקער קאַמף צייט און אַ קליין היץ-אַפֿעקטעד זאָנע. עס האט מעלות אין פּראַסעסינג זייער-דין מאַטעריאַלן (אונטער 0.5 מם);

קוואַזי קאָנטינויִערלעך לאַזער (QCW): צוליב הויכן איבערחזרן קורס און נידעריקן דוטי ציקל (אונטער 50%), די פּולס ברייט פוןQCW לייזערדערגרייכט 50 יו-עס-50 מס, און פילט אויס דעם ריס צווישן א קילאוואט לעוועל קאנטינעווער פיבער לאזער און א קיו-געשווימטער פולס לאזער; די שפיץ-מאכט פון א קוואזי קאנטינעווער פיבער לאזער קען דערגרייכן 10 מאל די דורכשניטליכע מאכט אונטער קאנטינעווער מאָדע אפעראציע. קיו-סי-ווי לאזערס האבן בכלל צוויי מאָדעס, איינס איז קאנטינעווער וועַלדינג ביי נידעריגער מאכט, און די אנדערע איז געפּולסט לאזער וועַלדינג מיט א שפיץ-מאכט פון 10 מאל די דורכשניטליכע מאכט, וואס קען דערגרייכן דיקערע מאטעריאלן און מער היץ וועַלדינג, בשעת אויך קאנטראלירן די היץ אין א זייער קליינעם קייט;

קאָנטינויִערלעכער לאַזער (CW): דאָס איז דער מערסט געוויינטלעך געניצטער, און רובֿ פון די לאַזערס וואָס מען זעט אויפן מאַרק זענען CW לאַזערס וואָס געבן קאָנטינויִערלעך אַרויס לאַזער פֿאַר וועַלדינג פּראַסעסינג. פֿאַזער לאַזערס ווערן צעטיילט אין איין-מאָד און מולטי-מאָד לאַזערס לויט פֿאַרשידענע קערן דיאַמעטערס און שטראַל קוואַליטעטן, און קענען ווערן צוגעפּאַסט צו פֿאַרשידענע אַפּליקאַציע סצענאַרן.