లేజర్ జనరేషన్ సూత్రం

లేజర్ల సూత్రాన్ని మనం ఎందుకు తెలుసుకోవాలి?

సాధారణ సెమీకండక్టర్ లేజర్‌లు, ఫైబర్‌లు, డిస్క్‌లు మరియు మధ్య తేడాలను తెలుసుకోవడంYAG లేజర్ఎంపిక ప్రక్రియలో మంచి అవగాహన పొందడానికి మరియు మరిన్ని చర్చల్లో పాల్గొనడానికి కూడా సహాయపడుతుంది.

వ్యాసం ప్రధానంగా ప్రముఖ విజ్ఞాన శాస్త్రంపై దృష్టి పెడుతుంది: లేజర్ ఉత్పత్తి సూత్రం, లేజర్‌ల యొక్క ప్రధాన నిర్మాణం మరియు అనేక సాధారణ రకాల లేజర్‌లకు సంక్షిప్త పరిచయం.

మొదట, లేజర్ ఉత్పత్తి సూత్రం

కాంతి మరియు పదార్థం మధ్య పరస్పర చర్య ద్వారా లేజర్ ఉత్పత్తి చేయబడుతుంది, దీనిని స్టిమ్యులేటెడ్ రేడియేషన్ యాంప్లిఫికేషన్ అంటారు; స్టిమ్యులేటెడ్ రేడియేషన్ యాంప్లిఫికేషన్‌ను అర్థం చేసుకోవడానికి ఐన్‌స్టీన్ యొక్క ఆకస్మిక ఉద్గారాలు, ఉత్తేజిత శోషణ మరియు ఉత్తేజిత రేడియేషన్, అలాగే కొన్ని అవసరమైన సైద్ధాంతిక పునాదులను అర్థం చేసుకోవడం అవసరం.

సైద్ధాంతిక ఆధారం 1: బోర్ మోడల్

బోర్ మోడల్ ప్రధానంగా పరమాణువుల అంతర్గత నిర్మాణాన్ని అందిస్తుంది, లేజర్‌లు ఎలా సంభవిస్తాయో అర్థం చేసుకోవడం సులభం చేస్తుంది. ఒక పరమాణువు కేంద్రకం వెలుపల కేంద్రకం మరియు ఎలక్ట్రాన్లతో కూడి ఉంటుంది మరియు ఎలక్ట్రాన్ల కక్ష్యలు ఏకపక్షంగా ఉండవు. ఎలక్ట్రాన్‌లు కొన్ని కక్ష్యలను మాత్రమే కలిగి ఉంటాయి, వీటిలో లోపలి కక్ష్యను గ్రౌండ్ స్టేట్ అంటారు; ఎలక్ట్రాన్ గ్రౌండ్ స్టేట్‌లో ఉంటే, దాని శక్తి అత్యల్పంగా ఉంటుంది. ఒక ఎలక్ట్రాన్ కక్ష్య నుండి దూకినట్లయితే, దానిని మొదటి ఉత్తేజిత స్థితి అని పిలుస్తారు మరియు మొదటి ఉత్తేజిత స్థితి యొక్క శక్తి భూమి స్థితి కంటే ఎక్కువగా ఉంటుంది; మరొక కక్ష్యను రెండవ ఉత్తేజిత స్థితి అంటారు;

ఈ నమూనాలో ఎలక్ట్రాన్లు వేర్వేరు కక్ష్యలలో కదులుతాయి కాబట్టి లేజర్ ఏర్పడటానికి కారణం. ఎలక్ట్రాన్లు శక్తిని గ్రహిస్తే, అవి భూమి స్థితి నుండి ఉత్తేజిత స్థితికి పరిగెత్తగలవు; ఎలక్ట్రాన్ ఉత్తేజిత స్థితి నుండి భూమి స్థితికి తిరిగి వస్తే, అది శక్తిని విడుదల చేస్తుంది, ఇది తరచుగా లేజర్ రూపంలో విడుదల అవుతుంది.

సైద్ధాంతిక ఆధారం 2: ఐన్స్టీన్ స్టిమ్యులేటెడ్ రేడియేషన్ థియరీ

1917లో, ఐన్స్టీన్ ఉద్దీపన రేడియేషన్ సిద్ధాంతాన్ని ప్రతిపాదించాడు, ఇది లేజర్‌లు మరియు లేజర్ ఉత్పత్తికి సైద్ధాంతిక ఆధారం: పదార్థం యొక్క శోషణ లేదా ఉద్గారం తప్పనిసరిగా రేడియేషన్ క్షేత్రం మరియు పదార్థం తయారు చేసే కణాలు మరియు దాని కోర్ మధ్య పరస్పర చర్య ఫలితంగా ఉంటుంది. సారాంశం అనేది వివిధ శక్తి స్థాయిల మధ్య కణాల పరివర్తన. కాంతి మరియు పదార్థం మధ్య పరస్పర చర్యలో మూడు వేర్వేరు ప్రక్రియలు ఉన్నాయి: ఆకస్మిక ఉద్గారం, ఉత్తేజిత ఉద్గారం మరియు ఉత్తేజిత శోషణ. పెద్ద సంఖ్యలో కణాలను కలిగి ఉన్న వ్యవస్థ కోసం, ఈ మూడు ప్రక్రియలు ఎల్లప్పుడూ సహజీవనం చేస్తాయి మరియు దగ్గరి సంబంధం కలిగి ఉంటాయి.

ఆకస్మిక ఉద్గారం:

చిత్రంలో చూపిన విధంగా: అధిక-శక్తి స్థాయి E2పై ఎలక్ట్రాన్ ఆకస్మికంగా తక్కువ-శక్తి స్థాయి E1కి మారుతుంది మరియు hv శక్తితో ఫోటాన్‌ను విడుదల చేస్తుంది మరియు hv=E2-E1; ఈ ఆకస్మిక మరియు సంబంధం లేని పరివర్తన ప్రక్రియను ఆకస్మిక పరివర్తన అని పిలుస్తారు మరియు ఆకస్మిక పరివర్తనాల ద్వారా విడుదలయ్యే కాంతి తరంగాలను స్పాంటేనియస్ రేడియేషన్ అంటారు.

ఆకస్మిక ఉద్గారాల లక్షణాలు: ప్రతి ఫోటాన్ వేర్వేరు దిశలు మరియు దశలతో స్వతంత్రంగా ఉంటుంది మరియు సంభవించే సమయం కూడా యాదృచ్ఛికంగా ఉంటుంది. ఇది అసంబద్ధమైన మరియు అస్తవ్యస్తమైన కాంతికి చెందినది, ఇది లేజర్‌కు అవసరమైన కాంతి కాదు. అందువల్ల, లేజర్ ఉత్పత్తి ప్రక్రియ ఈ రకమైన విచ్చలవిడి కాంతిని తగ్గించాల్సిన అవసరం ఉంది. వివిధ లేజర్‌ల తరంగదైర్ఘ్యం విచ్చలవిడి కాంతిని కలిగి ఉండటానికి ఇది కూడా ఒక కారణం. బాగా నియంత్రించబడితే, లేజర్‌లో ఆకస్మిక ఉద్గారాల నిష్పత్తిని విస్మరించవచ్చు. 1060 nm వంటి స్వచ్ఛమైన లేజర్ మొత్తం 1060 nm, ఈ రకమైన లేజర్ సాపేక్షంగా స్థిరమైన శోషణ రేటు మరియు శక్తిని కలిగి ఉంటుంది.

ఉత్తేజిత శోషణ:

తక్కువ శక్తి స్థాయిలలో ఎలక్ట్రాన్లు (తక్కువ కక్ష్యలు), ఫోటాన్లను గ్రహించిన తర్వాత, అధిక శక్తి స్థాయిలకు (అధిక కక్ష్యలు) పరివర్తన చెందుతాయి మరియు ఈ ప్రక్రియను ఉద్దీపన శోషణ అంటారు. ఉత్తేజిత శోషణ కీలకమైనది మరియు పంపింగ్ ప్రక్రియలలో ఒకటి. లేజర్ యొక్క పంపు మూలం ఫోటాన్ శక్తిని అందజేస్తుంది, ఇది లాభం మాధ్యమంలో కణాలను పరివర్తనకు కారణమవుతుంది మరియు లేజర్‌ను విడుదల చేస్తూ అధిక శక్తి స్థాయిలలో ఉత్తేజిత రేడియేషన్ కోసం వేచి ఉంటుంది.

ఉత్తేజిత రేడియేషన్:

బాహ్య శక్తి (hv=E2-E1) కాంతి ద్వారా వికిరణం చేయబడినప్పుడు, అధిక శక్తి స్థాయిలో ఉన్న ఎలక్ట్రాన్ బాహ్య ఫోటాన్ ద్వారా ఉత్తేజితమవుతుంది మరియు తక్కువ శక్తి స్థాయికి దూకుతుంది (అధిక కక్ష్య తక్కువ కక్ష్యకు వెళుతుంది). అదే సమయంలో, ఇది బాహ్య ఫోటాన్‌తో సమానమైన ఫోటాన్‌ను విడుదల చేస్తుంది. ఈ ప్రక్రియ అసలైన ఉత్తేజిత కాంతిని గ్రహించదు, కాబట్టి రెండు ఒకేలా ఫోటాన్లు ఉంటాయి, ఎలక్ట్రాన్ గతంలో గ్రహించిన ఫోటాన్‌ను ఉమ్మివేసినట్లు అర్థం చేసుకోవచ్చు, ఈ కాంతి ప్రక్రియను స్టిమ్యులేటెడ్ రేడియేషన్ అంటారు, ఇది ఉత్తేజిత శోషణ యొక్క రివర్స్ ప్రక్రియ.

సిద్ధాంతం స్పష్టంగా ఉన్న తర్వాత, పై చిత్రంలో చూపిన విధంగా లేజర్‌ను నిర్మించడం చాలా సులభం: పదార్థ స్థిరత్వం యొక్క సాధారణ పరిస్థితులలో, అత్యధిక ఎలక్ట్రాన్లు భూమి స్థితిలో ఉంటాయి, భూమి స్థితిలో ఎలక్ట్రాన్లు మరియు లేజర్ ఆధారపడి ఉంటాయి ఉద్దీపన రేడియేషన్. అందువల్ల, లేజర్ యొక్క నిర్మాణం ఏమిటంటే, ముందుగా ఉద్దీపన శోషణ జరగడానికి అనుమతించడం, ఎలక్ట్రాన్‌లను అధిక శక్తి స్థాయికి తీసుకురావడం, ఆపై పెద్ద సంఖ్యలో అధిక శక్తి స్థాయి ఎలక్ట్రాన్‌లు ఉత్తేజిత రేడియేషన్‌కు లోనయ్యేలా ఉత్తేజాన్ని అందించడం, ఫోటాన్‌లను విడుదల చేయడం, దీని నుండి, లేజర్ ఉత్పత్తి చేయవచ్చు. తరువాత, మేము లేజర్ నిర్మాణాన్ని పరిచయం చేస్తాము.

లేజర్ నిర్మాణం:

లేజర్ నిర్మాణాన్ని ముందుగా పేర్కొన్న లేజర్ జనరేషన్ పరిస్థితులతో ఒక్కొక్కటిగా సరిపోల్చండి:

సంభవించిన పరిస్థితి మరియు సంబంధిత నిర్మాణం:

1. లేజర్ వర్కింగ్ మాధ్యమంగా యాంప్లిఫికేషన్ ప్రభావాన్ని అందించే లాభ మాధ్యమం ఉంది మరియు దాని ఉత్తేజిత రేడియేషన్‌ను ఉత్పత్తి చేయడానికి అనువైన శక్తి స్థాయి నిర్మాణాన్ని కలిగి ఉంటుంది (ప్రధానంగా ఎలక్ట్రాన్‌లను అధిక-శక్తి కక్ష్యలకు పంపగలదు మరియు కొంత సమయం వరకు ఉంటుంది. , ఆపై ఉద్దీపన రేడియేషన్ ద్వారా ఒక శ్వాసలో ఫోటాన్‌లను విడుదల చేయండి);

2. ఒక బాహ్య ఉత్తేజిత మూలం (పంప్ మూలం) ఉంది, ఇది ఎలక్ట్రాన్‌లను దిగువ స్థాయి నుండి పై స్థాయికి పంపగలదు, దీని వలన లేజర్ యొక్క ఎగువ మరియు దిగువ స్థాయిల మధ్య కణ సంఖ్య విలోమానికి కారణమవుతుంది (అనగా, దానికంటే ఎక్కువ అధిక-శక్తి కణాలు ఉన్నప్పుడు తక్కువ-శక్తి కణాలు), YAG లేజర్‌లలోని జినాన్ దీపం వంటివి;

3. లేజర్ డోలనం సాధించగల ప్రతిధ్వని కుహరం ఉంది, లేజర్ వర్కింగ్ మెటీరియల్ యొక్క పని పొడవును పెంచుతుంది, లైట్ వేవ్ మోడ్‌ను స్క్రీన్ చేయవచ్చు, పుంజం యొక్క ప్రచార దిశను నియంత్రించవచ్చు, మోనోక్రోమటిటీని మెరుగుపరచడానికి ఉద్దీపన రేడియేషన్ ఫ్రీక్వెన్సీని ఎంపిక చేసుకోవచ్చు (నిశ్చయపరచడం లేజర్ ఒక నిర్దిష్ట శక్తితో అవుట్‌పుట్ చేయబడుతుంది).

సంబంధిత నిర్మాణం పై చిత్రంలో చూపబడింది, ఇది YAG లేజర్ యొక్క సాధారణ నిర్మాణం. ఇతర నిర్మాణాలు మరింత క్లిష్టంగా ఉండవచ్చు, కానీ కోర్ ఇది. లేజర్ ఉత్పత్తి ప్రక్రియ చిత్రంలో చూపబడింది:

లేజర్ వర్గీకరణ: సాధారణంగా లాభం మాధ్యమం లేదా లేజర్ శక్తి రూపం ద్వారా వర్గీకరించబడుతుంది

మధ్యస్థ వర్గీకరణను పొందండి:

కార్బన్ డయాక్సైడ్ లేజర్: కార్బన్ డయాక్సైడ్ లేజర్ యొక్క లాభ మాధ్యమం హీలియం మరియుCO2 లేజర్,10.6um లేజర్ తరంగదైర్ఘ్యంతో, ఇది ప్రారంభించబడిన తొలి లేజర్ ఉత్పత్తులలో ఒకటి. ప్రారంభ లేజర్ వెల్డింగ్ ప్రధానంగా కార్బన్ డయాక్సైడ్ లేజర్పై ఆధారపడింది, ఇది ప్రస్తుతం ప్రధానంగా వెల్డింగ్ మరియు నాన్-మెటాలిక్ పదార్థాలను (బట్టలు, ప్లాస్టిక్లు, కలప మొదలైనవి) కత్తిరించడానికి ఉపయోగిస్తారు. అదనంగా, ఇది లితోగ్రఫీ యంత్రాలలో కూడా ఉపయోగించబడుతుంది. కార్బన్ డయాక్సైడ్ లేజర్ ఆప్టికల్ ఫైబర్స్ ద్వారా ప్రసారం చేయబడదు మరియు ప్రాదేశిక ఆప్టికల్ మార్గాల ద్వారా ప్రయాణిస్తుంది, తొలి టోంగ్‌కువై సాపేక్షంగా బాగా చేయబడింది మరియు చాలా కట్టింగ్ పరికరాలు ఉపయోగించబడ్డాయి;

YAG (యట్రియం అల్యూమినియం గార్నెట్) లేజర్: నియోడైమియం (Nd) లేదా య్ట్రియం (Yb) లోహ అయాన్‌లతో డోప్ చేయబడిన YAG స్ఫటికాలు 1.06um ఉద్గార తరంగదైర్ఘ్యంతో లేజర్ లాభం మాధ్యమంగా ఉపయోగించబడతాయి. YAG లేజర్ అధిక పప్పులను ఉత్పత్తి చేయగలదు, అయితే సగటు శక్తి తక్కువగా ఉంటుంది మరియు గరిష్ట శక్తి సగటు శక్తిని 15 రెట్లు చేరుకోగలదు. ఇది ప్రధానంగా పల్స్ లేజర్ అయితే, నిరంతర ఉత్పత్తిని సాధించలేము; కానీ ఇది ఆప్టికల్ ఫైబర్స్ ద్వారా ప్రసారం చేయబడుతుంది మరియు అదే సమయంలో, లోహ పదార్థాల శోషణ రేటు పెరుగుతుంది మరియు ఇది అధిక ప్రతిబింబ పదార్థాలలో వర్తింపజేయడం ప్రారంభమైంది, మొదట 3C ఫీల్డ్‌లో వర్తించబడుతుంది;

ఫైబర్ లేజర్: మార్కెట్‌లోని ప్రస్తుత ప్రధాన స్రవంతి 1060nm తరంగదైర్ఘ్యంతో ytterbium డోప్డ్ ఫైబర్‌ను లాభం మాధ్యమంగా ఉపయోగిస్తుంది. ఇది మీడియం ఆకారం ఆధారంగా ఫైబర్ మరియు డిస్క్ లేజర్‌లుగా విభజించబడింది; ఫైబర్ ఆప్టిక్ IPGని సూచిస్తుంది, అయితే డిస్క్ టోంగ్‌కువైని సూచిస్తుంది.

సెమీకండక్టర్ లేజర్: లాభం మాధ్యమం సెమీకండక్టర్ PN జంక్షన్, మరియు సెమీకండక్టర్ లేజర్ యొక్క తరంగదైర్ఘ్యం ప్రధానంగా 976nm వద్ద ఉంటుంది. ప్రస్తుతం, సెమీకండక్టర్ సమీప-ఇన్‌ఫ్రారెడ్ లేజర్‌లను ప్రధానంగా క్లాడింగ్ కోసం ఉపయోగిస్తారు, 600um కంటే ఎక్కువ కాంతి మచ్చలు ఉంటాయి. లేజర్‌లైన్ అనేది సెమీకండక్టర్ లేజర్‌ల ప్రతినిధి సంస్థ.

శక్తి చర్య రూపంలో వర్గీకరించబడింది: పల్స్ లేజర్ (పల్స్), పాక్షిక నిరంతర లేజర్ (QCW), నిరంతర లేజర్ (CW)

పల్స్ లేజర్: నానోసెకండ్, పికోసెకండ్, ఫెమ్టోసెకండ్, ఈ హై-ఫ్రీక్వెన్సీ పల్స్ లేజర్ (ns, పల్స్ వెడల్పు) తరచుగా హై పీక్ ఎనర్జీ, హై ఫ్రీక్వెన్సీ (MHZ) ప్రాసెసింగ్‌ను సాధించగలదు, ఇది సన్నని రాగి మరియు అల్యూమినియం అసమాన పదార్థాలను ప్రాసెస్ చేయడానికి, అలాగే ఎక్కువగా శుభ్రపరచడానికి ఉపయోగించబడుతుంది. . అధిక గరిష్ట శక్తిని ఉపయోగించడం ద్వారా, ఇది తక్కువ చర్య సమయం మరియు చిన్న వేడి ప్రభావిత జోన్‌తో బేస్ మెటీరియల్‌ను త్వరగా కరిగించగలదు. ఇది అల్ట్రా-సన్నని పదార్థాలను (0.5 మిమీ కంటే తక్కువ) ప్రాసెస్ చేయడంలో ప్రయోజనాలను కలిగి ఉంది;

పాక్షిక నిరంతర లేజర్ (QCW): అధిక పునరావృత రేటు మరియు తక్కువ డ్యూటీ సైకిల్ (50% కంటే తక్కువ) కారణంగా, పల్స్ వెడల్పుQCW లేజర్50 us-50 msకి చేరుకుంటుంది, కిలోవాట్ స్థాయి నిరంతర ఫైబర్ లేజర్ మరియు Q-స్విచ్డ్ పల్స్ లేజర్ మధ్య అంతరాన్ని పూరిస్తుంది; పాక్షిక నిరంతర ఫైబర్ లేజర్ యొక్క గరిష్ట శక్తి నిరంతర మోడ్ ఆపరేషన్‌లో సగటు శక్తిని 10 రెట్లు చేరుకోగలదు. QCW లేజర్‌లు సాధారణంగా రెండు మోడ్‌లను కలిగి ఉంటాయి, ఒకటి తక్కువ శక్తితో నిరంతర వెల్డింగ్, మరియు మరొకటి సగటు శక్తి కంటే 10 రెట్లు గరిష్ట శక్తితో పల్సెడ్ లేజర్ వెల్డింగ్, ఇది మందమైన పదార్థాలను మరియు ఎక్కువ వేడి వెల్డింగ్‌ను సాధించగలదు, అదే సమయంలో వేడిని నియంత్రిస్తుంది. చాలా చిన్న పరిధి;

నిరంతర లేజర్ (CW): ఇది సర్వసాధారణంగా ఉపయోగించబడుతుంది మరియు మార్కెట్లో కనిపించే చాలా లేజర్‌లు వెల్డింగ్ ప్రాసెసింగ్ కోసం నిరంతరం లేజర్‌ను అవుట్‌పుట్ చేసే CW లేజర్‌లు. ఫైబర్ లేజర్‌లు వేర్వేరు కోర్ డయామీటర్‌లు మరియు బీమ్ క్వాలిటీల ప్రకారం సింగిల్-మోడ్ మరియు మల్టీ-మోడ్ లేజర్‌లుగా విభజించబడ్డాయి మరియు విభిన్న అప్లికేషన్ దృశ్యాలకు అనుగుణంగా ఉంటాయి.