레이저 생성 원리

왜 레이저의 원리를 알아야 할까요?

일반적인 반도체 레이저, 파이버, 디스크 및 반도체 레이저의 차이점을 알고YAG 레이저또한 선정 과정에서 더 나은 이해를 얻고 더 많은 토론에 참여하는 데 도움이 될 수 있습니다.

이 기사는 주로 대중 과학에 초점을 맞추고 있습니다. 즉, 레이저 생성 원리, 레이저의 주요 구조 및 몇 가지 일반적인 레이저 유형에 대한 간략한 소개입니다.

첫째, 레이저 발생 원리

레이저는 자극 방사선 증폭으로 알려진 빛과 물질 사이의 상호 작용을 통해 생성됩니다. 유도방사선 증폭을 이해하려면 아인슈타인의 자연방출, 유도흡수, 유도방사선 개념과 몇 가지 필요한 이론적 기초를 이해해야 합니다.

이론적 기초 1: 보어 모델

보어 모델은 주로 원자의 내부 구조를 제공하므로 레이저가 어떻게 발생하는지 쉽게 이해할 수 있습니다. 원자는 핵과 핵 밖의 전자로 구성되어 있으며, 전자의 궤도는 임의적이지 않습니다. 전자는 특정 궤도만 가지고 있으며, 그 중 가장 안쪽 궤도를 바닥 상태라고 합니다. 전자가 바닥 상태에 있으면 에너지가 가장 낮습니다. 전자가 궤도 밖으로 튀어나오면 이를 첫 번째 들뜬 상태라고 하며, 첫 번째 들뜬 상태의 에너지는 바닥 상태의 에너지보다 높습니다. 또 다른 궤도를 두 번째 여기 상태라고 합니다.

레이저가 발생할 수 있는 이유는 이 모델에서는 전자가 서로 다른 궤도로 이동하기 때문입니다. 전자가 에너지를 흡수하면 바닥 상태에서 여기 상태로 이동할 수 있습니다. 전자가 여기 상태에서 바닥 상태로 되돌아오면 에너지를 방출하게 되는데, 이는 종종 레이저 형태로 방출됩니다.

이론적 기초 2: 아인슈타인의 유도 방사선 이론

1917년에 아인슈타인은 레이저와 레이저 생산의 이론적 기초가 되는 자극 방사선 이론을 제안했습니다. 물질의 흡수 또는 방출은 본질적으로 방사선장과 물질을 구성하는 입자, 그리고 그 핵심 사이의 상호 작용의 결과입니다. 본질은 서로 다른 에너지 수준 사이의 입자 전환입니다. 빛과 물질 사이의 상호 작용에는 자연 방출, 유도 방출, 유도 흡수의 세 가지 다른 과정이 있습니다. 많은 수의 입자를 포함하는 시스템의 경우 이 세 가지 프로세스는 항상 공존하며 밀접하게 관련되어 있습니다.

자연 방출:

그림에 표시된 바와 같이, 고에너지 준위 E2의 전자는 자발적으로 저에너지 준위 E1로 전이하고 에너지가 hv이고 hv=E2-E1인 광자를 방출합니다. 이러한 자발적이고 관련되지 않은 전이 과정을 자발 전이라고 하며, 자발 전이에 의해 방출되는 광파를 자발 방사선이라고 합니다.

자연 방출의 특징: 각 광자는 독립적이며 방향과 위상이 다르며 발생 시간도 무작위입니다. 그것은 레이저가 요구하는 빛이 아닌 불일치하고 혼란스러운 빛에 속합니다. 따라서 레이저 생성 공정에서는 이러한 유형의 미광을 줄여야 합니다. 이는 각종 레이저의 파장에 미광이 생기는 이유 중 하나이기도 하다. 잘 제어하면 레이저의 자연 방출 비율을 무시할 수 있습니다. 1060 nm와 같은 레이저가 더 순수할수록 모두 1060 nm입니다. 이 유형의 레이저는 상대적으로 안정적인 흡수율과 전력을 가지고 있습니다.

자극된 흡수:

낮은 에너지 준위(낮은 궤도)의 전자는 광자를 흡수한 후 더 높은 에너지 준위(고궤도)로 전환되며, 이 과정을 자극 흡수라고 합니다. 자극된 흡수는 중요하며 핵심 펌핑 과정 중 하나입니다. 레이저의 펌프 소스는 광자 에너지를 제공하여 이득 매질의 입자가 전이되도록 하고 더 높은 에너지 레벨에서 자극 방사선을 기다려 레이저를 방출합니다.

자극 방사선:

외부 에너지(hv=E2-E1)의 빛을 조사하면 높은 에너지 준위의 전자는 외부 광자에 의해 여기되어 낮은 에너지 준위(높은 궤도가 낮은 궤도로 이어진다)로 점프한다. 동시에 외부 광자와 정확히 동일한 광자를 방출합니다. 이 과정은 원래의 여기광을 흡수하지 않으므로 두 개의 동일한 광자가 있게 되는데, 이는 전자가 이전에 흡수한 광자를 뱉어내는 것으로 이해될 수 있습니다. 이 발광 과정을 자극 방사선이라고 하며, 이는 자극 흡수의 역과정입니다.

이론이 명확해지면 위 그림에 표시된 것처럼 레이저를 만드는 것이 매우 간단합니다. 일반적인 물질 안정성 조건에서 대부분의 전자는 바닥 상태에 있고 전자는 바닥 상태에 있으며 레이저는 다음에 의존합니다. 자극 방사선. 따라서 레이저의 구조는 먼저 유도흡수가 일어나도록 하여 전자를 높은 에너지 준위에 이르게 한 후 여기를 주어 많은 고에너지 준위의 전자가 자극방사를 받게 하여 광자를 방출하게 하는 것으로서, 레이저를 생성할 수 있습니다. 다음으로 레이저 구조를 소개하겠습니다.

레이저 구조:

레이저 구조를 앞에서 언급한 레이저 생성 조건과 하나씩 일치시키십시오.

발생 조건 및 해당 구조:

1. 레이저 작동 매체로 증폭 효과를 제공하는 이득 매체가 있으며, 활성화된 입자는 자극 방사선을 생성하는 데 적합한 에너지 준위 구조를 갖습니다. (주로 전자를 고에너지 궤도로 펌핑하여 일정 시간 동안 존재할 수 있음) , 자극 방사선을 통해 한 번의 호흡으로 광자를 방출합니다.

2. 전자를 낮은 준위에서 상위 준위로 펌핑할 수 있는 외부 여기 소스(펌프 소스)가 있어 레이저의 상부 레벨과 하부 레벨 사이에 입자 수 반전을 일으킬 수 있습니다(즉, 고에너지 입자가 보다 많은 경우). YAG 레이저의 크세논 램프와 같은 저에너지 입자;

3. 레이저 진동을 달성하고, 레이저 작업 재료의 작동 길이를 늘리고, 광파 모드를 차단하고, 빔의 전파 방향을 제어하고, 자극된 방사선 주파수를 선택적으로 증폭하여 단색성을 향상시킬 수 있는 공진 공동이 있습니다( 레이저는 특정 에너지로 출력됩니다.)

해당 구조는 위 그림에 나와 있는데 이는 YAG 레이저의 간단한 구조이다. 다른 구조는 더 복잡할 수도 있지만 핵심은 이것이다. 레이저 생성 과정은 그림에 나와 있습니다.

레이저 분류: 일반적으로 이득 매질 또는 레이저 에너지 형태로 분류됩니다.

게인 중간 분류:

이산화탄소 레이저: 이산화탄소 레이저의 이득매질은 헬륨이고,CO2 레이저,가장 먼저 출시된 레이저 제품 중 하나인 10.6um의 레이저 파장을 사용합니다. 초기 레이저 용접은 주로 이산화탄소 레이저를 기반으로 했으며, 현재는 비금속 재료(직물, 플라스틱, 목재 등)의 용접 및 절단에 주로 사용됩니다. 또한 리소그래피 기계에도 사용됩니다. 이산화탄소 레이저는 광섬유를 통해 전송될 수 없으며 공간 광 경로를 통해 이동합니다. 초기 Tongkuai는 비교적 잘 수행되었으며 많은 절단 장비가 사용되었습니다.

YAG(이트륨 알루미늄 가넷) 레이저: 네오디뮴(Nd) 또는 이트륨(Yb) 금속 이온으로 도핑된 YAG 결정이 레이저 이득 매체로 사용되며 방출 파장은 1.06um입니다. YAG 레이저는 더 높은 펄스를 출력할 수 있지만 평균 출력은 낮고 피크 출력은 평균 출력의 15배에 도달할 수 있습니다. 주로 펄스 레이저인 경우 연속 출력을 얻을 수 없습니다. 그러나 광섬유를 통해서도 투과가 가능함과 동시에 금속재료의 흡수율이 높아지면서 3C 분야에 처음으로 적용되었던 고반사율 소재에도 적용이 시작되고 있다.

파이버 레이저: 현재 시장의 주류는 1060nm의 파장을 갖는 이테르븀 첨가 파이버를 이득 매체로 사용합니다. 매체의 모양에 따라 파이버 레이저와 디스크 레이저로 더 구분됩니다. 광섬유는 IPG를 나타내고 디스크는 Tongkuai를 나타냅니다.

반도체 레이저: 이득 매질은 반도체 PN 접합이며, 반도체 레이저의 파장은 주로 976nm입니다. 현재 반도체 근적외선 레이저는 주로 클래딩에 사용되며 광점이 600um 이상입니다. 레이저라인은 반도체 레이저의 대표적인 기업입니다.

에너지 작용 형태에 따라 분류: 펄스 레이저(PULSE), 준연속 레이저(QCW), 연속 레이저(CW)

펄스 레이저: 나노초, 피코초, 펨토초, 이 고주파 펄스 레이저(ns, 펄스 폭)는 종종 높은 피크 에너지, 고주파(MHZ) 처리를 달성할 수 있으며 얇은 구리 및 알루미늄 이종 재료를 처리하고 주로 청소하는 데 사용됩니다. . 높은 피크에너지를 이용하여 모재를 빠르게 녹일 수 있으며, 작용시간이 짧고 열영향부가 작습니다. 초박형 재료(0.5mm 이하) 가공에 장점이 있습니다.

준연속 레이저(QCW): 높은 반복률과 낮은 듀티 사이클(50% 미만)로 인해 펄스 폭이QCW 레이저50us-50ms에 도달하여 킬로와트 수준의 연속 광섬유 레이저와 Q 스위치 펄스 레이저 사이의 간격을 채웁니다. 준연속 광섬유 레이저의 피크 전력은 연속 모드 작동 시 평균 전력의 10배에 도달할 수 있습니다. QCW 레이저에는 일반적으로 두 가지 모드가 있습니다. 하나는 저전력 연속 용접이고, 다른 하나는 평균 전력의 10배 피크 전력을 사용하는 펄스 레이저 용접입니다. 이를 통해 더 두꺼운 재료와 더 많은 열 용접을 달성하는 동시에 내부 열을 제어할 수 있습니다. 매우 작은 범위;

연속레이저(CW) : 가장 일반적으로 사용되는 레이저로 시중에서 볼 수 있는 레이저의 대부분은 용접가공을 위해 연속적으로 레이저를 출력하는 CW레이저이다. 파이버 레이저는 다양한 코어 직경과 빔 품질에 따라 단일 모드와 다중 모드 레이저로 구분되며 다양한 응용 시나리오에 맞게 조정할 수 있습니다.