लेझर निर्मितीचे तत्व

लेसरचे तत्व आपल्याला का माहित असणे आवश्यक आहे?

सामान्य सेमीकंडक्टर लेसर, फायबर, डिस्क आणि मधील फरक जाणून घेणेYAG लेसरनिवड प्रक्रियेदरम्यान अधिक चांगल्या प्रकारे समजून घेण्यास आणि अधिक चर्चेत गुंतण्यासाठी देखील मदत करू शकते.

लेख मुख्यतः लोकप्रिय विज्ञानावर केंद्रित आहे: लेसर निर्मितीच्या तत्त्वाचा थोडक्यात परिचय, लेसरची मुख्य रचना आणि लेसरचे अनेक सामान्य प्रकार.

प्रथम, लेसर निर्मितीचे तत्त्व

लेझर प्रकाश आणि पदार्थ यांच्यातील परस्परसंवादाद्वारे तयार केले जाते, ज्याला उत्तेजित रेडिएशन प्रवर्धन म्हणून ओळखले जाते; उत्तेजित विकिरण प्रवर्धन समजून घेण्यासाठी आइन्स्टाईनच्या उत्स्फूर्त उत्सर्जन, उत्तेजित शोषण आणि उत्तेजित किरणोत्सर्गाच्या संकल्पना तसेच काही आवश्यक सैद्धांतिक पाया समजून घेणे आवश्यक आहे.

सैद्धांतिक आधार 1: बोहर मॉडेल

बोहर मॉडेल प्रामुख्याने अणूंची अंतर्गत रचना प्रदान करते, ज्यामुळे लेसर कसे होतात हे समजणे सोपे होते. अणू न्यूक्लियस आणि न्यूक्लियसच्या बाहेरील इलेक्ट्रॉन्सने बनलेला असतो आणि इलेक्ट्रॉनच्या कक्षा अनियंत्रित नसतात. इलेक्ट्रॉन्समध्ये फक्त काही विशिष्ट कक्षे असतात, त्यापैकी सर्वात आतल्या कक्षेला ग्राउंड स्टेट म्हणतात; जर इलेक्ट्रॉन जमिनीवर असेल तर त्याची उर्जा सर्वात कमी असते. जर एखाद्या इलेक्ट्रॉनने कक्षेतून बाहेर उडी मारली, तर त्याला पहिली उत्तेजित अवस्था म्हणतात आणि पहिल्या उत्तेजित अवस्थेची ऊर्जा जमिनीच्या स्थितीपेक्षा जास्त असेल; दुसर्या कक्षाला दुसरी उत्तेजित अवस्था म्हणतात;

लेसर का उद्भवू शकते याचे कारण म्हणजे या मॉडेलमध्ये इलेक्ट्रॉन वेगवेगळ्या कक्षेत फिरतील. जर इलेक्ट्रॉन ऊर्जा शोषून घेतात, तर ते जमिनीपासून उत्तेजित अवस्थेकडे धावू शकतात; जर एखादा इलेक्ट्रॉन उत्तेजित अवस्थेतून जमिनीच्या अवस्थेत परत आला, तर ते ऊर्जा सोडेल, जी अनेकदा लेसरच्या स्वरूपात सोडली जाते.

सैद्धांतिक आधार 2: आइन्स्टाईनचा उत्तेजित रेडिएशन सिद्धांत

1917 मध्ये, आइनस्टाइनने उत्तेजित रेडिएशनचा सिद्धांत मांडला, जो लेसर आणि लेसर उत्पादनासाठी सैद्धांतिक आधार आहे: पदार्थाचे शोषण किंवा उत्सर्जन हे मूलत: रेडिएशन फील्ड आणि पदार्थ बनवणारे कण आणि त्याचा गाभा यांच्यातील परस्परसंवादाचा परिणाम आहे. सार म्हणजे वेगवेगळ्या ऊर्जा पातळींमधील कणांचे संक्रमण. प्रकाश आणि पदार्थ यांच्यातील परस्परसंवादामध्ये तीन भिन्न प्रक्रिया आहेत: उत्स्फूर्त उत्सर्जन, उत्तेजित उत्सर्जन आणि उत्तेजित शोषण. मोठ्या संख्येने कण असलेल्या प्रणालीसाठी, या तीन प्रक्रिया नेहमी एकत्र राहतात आणि जवळून संबंधित असतात.

उत्स्फूर्त उत्सर्जन:

आकृतीत दाखवल्याप्रमाणे: उच्च-ऊर्जा पातळी E2 वरील इलेक्ट्रॉन उत्स्फूर्तपणे निम्न-ऊर्जा पातळी E1 वर संक्रमण करतो आणि hv, आणि hv=E2-E1 उर्जेसह फोटॉन उत्सर्जित करतो; या उत्स्फूर्त आणि असंबंधित संक्रमण प्रक्रियेला उत्स्फूर्त संक्रमण म्हणतात आणि उत्स्फूर्त संक्रमणाद्वारे उत्सर्जित होणाऱ्या प्रकाश लहरींना उत्स्फूर्त विकिरण म्हणतात.

उत्स्फूर्त उत्सर्जनाची वैशिष्ट्ये: प्रत्येक फोटॉन स्वतंत्र आहे, वेगवेगळ्या दिशा आणि टप्प्यांसह, आणि घडण्याची वेळ देखील यादृच्छिक आहे. हे विसंगत आणि गोंधळलेल्या प्रकाशाचे आहे, जो लेसरला आवश्यक असलेला प्रकाश नाही. त्यामुळे, लेसर निर्मिती प्रक्रियेला या प्रकारचा भटका प्रकाश कमी करणे आवश्यक आहे. विविध लेसरच्या तरंगलांबीमध्ये भटक्या प्रकाशाचे हे देखील एक कारण आहे. चांगले नियंत्रित केल्यास, लेसरमधील उत्स्फूर्त उत्सर्जनाचे प्रमाण दुर्लक्षित केले जाऊ शकते. लेसर जितका शुद्ध असेल, जसे की 1060 एनएम, ते सर्व 1060 एनएम आहे, या प्रकारच्या लेसरमध्ये तुलनेने स्थिर शोषण दर आणि शक्ती असते.

उत्तेजित शोषण:

इलेक्ट्रॉन कमी उर्जा स्तरावर (कमी ऑर्बिटल्स), फोटॉन शोषून घेतल्यानंतर, उच्च उर्जा स्तरावर (उच्च ऑर्बिटल्स) संक्रमण करतात आणि या प्रक्रियेला उत्तेजित शोषण म्हणतात. उत्तेजित शोषण महत्त्वपूर्ण आहे आणि पंपिंग प्रक्रियेपैकी एक आहे. लेसरचा पंप स्त्रोत फोटॉन ऊर्जा प्रदान करतो ज्यामुळे कणांना संक्रमण होण्यास कारणीभूत ठरते आणि उच्च ऊर्जा स्तरांवर उत्तेजित रेडिएशनची प्रतीक्षा करते, लेसर उत्सर्जित करते.

उत्तेजित विकिरण:

बाह्य उर्जेच्या प्रकाशाने (hv=E2-E1) विकिरण केल्यावर, उच्च उर्जा स्तरावरील इलेक्ट्रॉन बाह्य फोटॉनने उत्तेजित होतो आणि कमी उर्जेच्या पातळीवर उडी मारतो (उच्च कक्षा निम्न कक्षाकडे धावते). त्याच वेळी, तो एक फोटॉन उत्सर्जित करतो जो बाह्य फोटॉन सारखाच असतो. ही प्रक्रिया मूळ उत्तेजित प्रकाश शोषून घेत नाही, त्यामुळे दोन एकसारखे फोटॉन असतील, ज्याला इलेक्ट्रॉन पूर्वी शोषलेल्या फोटॉनला थुंकताना समजू शकतो, या ल्युमिनेसेन्स प्रक्रियेला उत्तेजित रेडिएशन म्हणतात, जी उत्तेजित शोषणाची उलट प्रक्रिया आहे.

सिद्धांत स्पष्ट झाल्यानंतर, वरील आकृतीमध्ये दर्शविल्याप्रमाणे, लेसर तयार करणे खूप सोपे आहे: भौतिक स्थिरतेच्या सामान्य परिस्थितीत, बहुसंख्य इलेक्ट्रॉन जमिनीच्या स्थितीत असतात, इलेक्ट्रॉन जमिनीच्या अवस्थेत असतात आणि लेसर यावर अवलंबून असते. उत्तेजित विकिरण. म्हणून, लेसरची रचना प्रथम उत्तेजित शोषणास परवानगी देणे, इलेक्ट्रॉनांना उच्च उर्जा पातळीवर आणणे, आणि नंतर उत्तेजित होणे प्रदान करणे ज्यामुळे उच्च ऊर्जा पातळीचे इलेक्ट्रॉन उत्तेजित रेडिएशनमधून जातात, फोटॉन सोडतात, यातून, लेझर तयार करता येते. पुढे, आपण लेसर रचना सादर करू.

लेसर रचना:

लेसर स्ट्रक्चरला लेसर जनरेशनच्या परिस्थितीशी जुळवा जे आधी नमूद केले आहे.

घटनेची स्थिती आणि संबंधित रचना:

1. एक लाभ माध्यम आहे जे लेसर कार्यरत माध्यम म्हणून प्रवर्धन प्रभाव प्रदान करते आणि त्याच्या सक्रिय कणांमध्ये उत्तेजित रेडिएशन तयार करण्यासाठी उपयुक्त ऊर्जा पातळी रचना असते (मुख्यतः उच्च-ऊर्जा कक्षामध्ये इलेक्ट्रॉन पंप करण्यास सक्षम असतात आणि विशिष्ट कालावधीसाठी अस्तित्वात असतात. , आणि नंतर उत्तेजित रेडिएशनद्वारे एका श्वासात फोटॉन सोडतात);

2. एक बाह्य उत्तेजित स्त्रोत (पंप स्त्रोत) आहे जो खालच्या पातळीपासून वरच्या स्तरावर इलेक्ट्रॉन पंप करू शकतो, ज्यामुळे लेसरच्या वरच्या आणि खालच्या स्तरांमधील कण संख्या उलटे होते (म्हणजे, जेव्हा त्यापेक्षा जास्त उच्च-ऊर्जेचे कण असतात. कमी-ऊर्जेचे कण), जसे की YAG लेसरमधील झेनॉन दिवा;

3. एक रेझोनंट पोकळी आहे जी लेसर दोलन साध्य करू शकते, लेसर कार्यरत सामग्रीची कार्य लांबी वाढवू शकते, प्रकाश लहर मोड स्क्रीन करू शकते, बीमच्या प्रसाराची दिशा नियंत्रित करू शकते, मोनोक्रोमॅटिटी सुधारण्यासाठी उत्तेजित रेडिएशन वारंवारता निवडकपणे वाढवू शकते (खात्री करून लेसर एका विशिष्ट उर्जेवर आउटपुट केले जाते).

वरील आकृतीमध्ये संबंधित रचना दर्शविली आहे, जी YAG लेसरची साधी रचना आहे. इतर रचना अधिक क्लिष्ट असू शकतात, परंतु गाभा हा आहे. लेसर निर्मिती प्रक्रिया आकृतीमध्ये दर्शविली आहे:

लेसर वर्गीकरण: सामान्यत: लाभ मध्यम किंवा लेसर ऊर्जा फॉर्म द्वारे वर्गीकृत

मध्यम वर्गीकरण मिळवा:

कार्बन डायऑक्साइड लेसर: कार्बन डाय ऑक्साईड लेसरचे लाभाचे माध्यम हेलियम आणि आहेCO2 लेसर,10.6um च्या लेसर तरंगलांबीसह, जे लाँच केल्या जाणाऱ्या सर्वात आधीच्या लेसर उत्पादनांपैकी एक आहे. सुरुवातीचे लेसर वेल्डिंग मुख्यत्वे कार्बन डायऑक्साइड लेसरवर आधारित होते, जे सध्या मुख्यत्वे नॉन-मेटलिक साहित्य (फॅब्रिक्स, प्लास्टिक, लाकूड इ.) वेल्डिंग आणि कापण्यासाठी वापरले जाते. याव्यतिरिक्त, लिथोग्राफी मशीनवर देखील याचा वापर केला जातो. कार्बन डाय ऑक्साईड लेसर ऑप्टिकल फायबरद्वारे प्रसारित केले जाऊ शकत नाही आणि अवकाशीय ऑप्टिकल मार्गांद्वारे प्रवास करू शकत नाही, सर्वात जुने टोंगकुई तुलनेने चांगले केले गेले होते आणि बरीच कटिंग उपकरणे वापरली गेली होती;

YAG (यट्रियम ॲल्युमिनियम गार्नेट) लेसर: निओडीमियम (Nd) किंवा yttrium (Yb) धातूच्या आयनांसह डोप केलेले YAG क्रिस्टल्स लेसर गेन माध्यम म्हणून वापरले जातात, ज्याची उत्सर्जन तरंगलांबी 1.06um असते. YAG लेसर उच्च कडधान्ये आउटपुट करू शकतो, परंतु सरासरी शक्ती कमी आहे आणि शिखर शक्ती सरासरी शक्तीच्या 15 पट पोहोचू शकते. जर ते प्रामुख्याने पल्स लेसर असेल, तर सतत आउटपुट मिळू शकत नाही; परंतु ते ऑप्टिकल तंतूंद्वारे प्रसारित केले जाऊ शकते आणि त्याच वेळी, धातूच्या पदार्थांचे शोषण दर वाढते आणि ते उच्च परावर्तक सामग्रीमध्ये लागू केले जाऊ लागले आहे, प्रथम 3C क्षेत्रात लागू केले जाते;

फायबर लेसर: बाजारातील सध्याचा मुख्य प्रवाह 1060nm च्या तरंगलांबीसह, लाभाचे माध्यम म्हणून ytterbium doped फायबर वापरतो. ते पुढे माध्यमाच्या आकारावर आधारित फायबर आणि डिस्क लेसरमध्ये विभागले गेले आहे; फायबर ऑप्टिक आयपीजीचे प्रतिनिधित्व करते, तर डिस्क टोंगकुईचे प्रतिनिधित्व करते.

सेमीकंडक्टर लेसर: गेन माध्यम हे अर्धसंवाहक पीएन जंक्शन आहे आणि सेमीकंडक्टर लेसरची तरंगलांबी प्रामुख्याने 976nm आहे. सध्या, अर्धसंवाहक जवळ-अवरक्त लेसर मुख्यतः क्लेडिंगसाठी वापरले जातात, ज्यामध्ये 600um वरील हलके ठिपके असतात. लेसरलाइन हा अर्धसंवाहक लेसरचा प्रतिनिधी उपक्रम आहे.

ऊर्जा क्रियेच्या स्वरूपानुसार वर्गीकृत: पल्स लेसर (PULSE), अर्ध सतत लेसर (QCW), सतत लेसर (CW)

पल्स लेसर: नॅनोसेकंद, पिकोसेकंद, फेमटोसेकंद, हे उच्च-फ्रिक्वेंसी पल्स लेसर (एनएस, पल्स रुंदी) बऱ्याचदा उच्च शिखर ऊर्जा, उच्च वारंवारता (MHZ) प्रक्रिया प्राप्त करू शकते, पातळ तांबे आणि ॲल्युमिनियम भिन्न सामग्रीवर प्रक्रिया करण्यासाठी, तसेच मुख्यतः साफसफाईसाठी वापरली जाते. . उच्च शिखर ऊर्जेचा वापर करून, कमी क्रिया वेळेसह आणि लहान उष्णता प्रभावित क्षेत्रासह, ते त्वरीत आधार सामग्री वितळवू शकते. अल्ट्रा-पातळ सामग्रीवर प्रक्रिया करण्याचे फायदे आहेत (0.5 मिमी खाली);

अर्ध निरंतर लेसर (QCW): उच्च पुनरावृत्ती दर आणि कमी शुल्क चक्र (50% च्या खाली) यामुळे, नाडीची रुंदीQCW लेसरकिलोवॅट पातळी सतत फायबर लेसर आणि क्यू-स्विच केलेले पल्स लेसर मधील अंतर भरून, 50 us-50 ms पर्यंत पोहोचते; अर्ध निरंतर फायबर लेसरची सर्वोच्च शक्ती सतत मोड ऑपरेशन अंतर्गत सरासरी शक्तीच्या 10 पट पोहोचू शकते. QCW लेसरमध्ये सामान्यत: दोन पद्धती असतात, एक म्हणजे कमी पॉवरवर सतत वेल्डिंग, आणि दुसरे म्हणजे सरासरी पॉवरच्या 10 पट पीक पॉवरसह स्पंदित लेसर वेल्डिंग, जे जाड साहित्य आणि अधिक उष्णता वेल्डिंग मिळवू शकते, तसेच उष्णता नियंत्रित करते. खूप लहान श्रेणी;

कंटिन्युअस लेसर (CW): हे सर्वात जास्त वापरले जाते आणि बाजारात दिसणारे बहुतेक लेसर हे CW लेसर आहेत जे वेल्डिंग प्रक्रियेसाठी सतत लेसर आउटपुट करतात. फायबर लेसर वेगवेगळ्या कोर व्यास आणि बीम गुणांनुसार सिंगल-मोड आणि मल्टी-मोड लेसरमध्ये विभागले गेले आहेत आणि ते वेगवेगळ्या अनुप्रयोग परिस्थितींमध्ये जुळवून घेतले जाऊ शकतात.