లేజర్ ఉత్పత్తి సూత్రం

మనం లేజర్ల సూత్రాన్ని ఎందుకు తెలుసుకోవాలి?

సాధారణ సెమీకండక్టర్ లేజర్‌లు, ఫైబర్‌లు, డిస్క్‌లు మరియు వాటి మధ్య ఉన్న తేడాలను తెలుసుకోవడంYAG లేజర్ఎంపిక ప్రక్రియ సమయంలో మరింత మెరుగైన అవగాహన పొందడానికి మరియు మరిన్ని చర్చలలో పాల్గొనడానికి కూడా ఇది సహాయపడుతుంది.

ఈ వ్యాసం ప్రధానంగా జనరంజక విజ్ఞానంపై దృష్టి పెడుతుంది: లేజర్ ఉత్పత్తి సూత్రానికి సంక్షిప్త పరిచయం, లేజర్‌ల ప్రధాన నిర్మాణం మరియు అనేక సాధారణ రకాల లేజర్‌లు.

మొదటగా, లేజర్ ఉత్పత్తి సూత్రం

కాంతి మరియు పదార్థం మధ్య జరిగే పరస్పర చర్య ద్వారా లేజర్ ఉత్పత్తి అవుతుంది, దీనిని ప్రేరిత వికిరణ వృద్ధి అని అంటారు; ప్రేరిత వికిరణ వృద్ధిని అర్థం చేసుకోవడానికి, ఐన్‌స్టీన్ యొక్క ఆకస్మిక ఉద్గారం, ప్రేరిత శోషణం, మరియు ప్రేరిత వికిరణం అనే భావనలతో పాటు, కొన్ని అవసరమైన సైద్ధాంతిక పునాదులను కూడా అర్థం చేసుకోవాలి.

సైద్ధాంతిక ఆధారం 1: బోర్ మోడల్

బోర్ నమూనా ప్రధానంగా పరమాణువుల అంతర్గత నిర్మాణాన్ని అందిస్తుంది, దీనివల్ల లేజర్‌లు ఎలా ఏర్పడతాయో సులభంగా అర్థం చేసుకోవచ్చు. ఒక పరమాణువు కేంద్రకం మరియు కేంద్రకం వెలుపల ఉన్న ఎలక్ట్రాన్‌లతో కూడి ఉంటుంది, మరియు ఎలక్ట్రాన్‌ల ఆర్బిటాల్‌లు యాదృచ్ఛికంగా ఉండవు. ఎలక్ట్రాన్‌లకు కొన్ని నిర్దిష్ట ఆర్బిటాల్‌లు మాత్రమే ఉంటాయి, వాటిలో లోపలి ఆర్బిటాల్‌ను భూస్థితి (గ్రౌండ్ స్టేట్) అంటారు; ఒక ఎలక్ట్రాన్ భూస్థితిలో ఉన్నప్పుడు, దాని శక్తి అత్యల్పంగా ఉంటుంది. ఒక ఎలక్ట్రాన్ ఒక ఆర్బిట్ నుండి బయటకు దూకితే, దానిని మొదటి ఉత్తేజిత స్థితి (ఫస్ట్ ఎక్సైటెడ్ స్టేట్) అంటారు, మరియు మొదటి ఉత్తేజిత స్థితి యొక్క శక్తి భూస్థితి కంటే ఎక్కువగా ఉంటుంది; మరొక ఆర్బిట్‌ను రెండవ ఉత్తేజిత స్థితి (సెకండ్ ఎక్సైటెడ్ స్టేట్) అంటారు;

ఈ నమూనాలో ఎలక్ట్రాన్లు వేర్వేరు కక్ష్యలలో కదలడం వల్ల లేజర్ ఏర్పడుతుంది. ఎలక్ట్రాన్లు శక్తిని గ్రహిస్తే, అవి భూస్థితి నుండి ఉత్తేజిత స్థితికి వెళ్ళగలవు; ఒకవేళ ఎలక్ట్రాన్ ఉత్తేజిత స్థితి నుండి భూస్థితికి తిరిగి వస్తే, అది శక్తిని విడుదల చేస్తుంది, ఇది తరచుగా లేజర్ రూపంలో విడుదల అవుతుంది.

సైద్ధాంతిక ఆధారం 2: ఐన్‌స్టీన్ యొక్క ప్రేరిత వికిరణ సిద్ధాంతం

1917లో, ఐన్‌స్టీన్ ప్రేరిత వికిరణ సిద్ధాంతాన్ని ప్రతిపాదించారు, ఇది లేజర్‌లకు మరియు లేజర్ ఉత్పత్తికి సైద్ధాంతిక ఆధారం: పదార్థం యొక్క శోషణ లేదా ఉద్గారం అనేది ప్రాథమికంగా వికిరణ క్షేత్రానికి మరియు పదార్థాన్ని తయారుచేసే కణాలకు మధ్య జరిగే పరస్పర చర్య యొక్క ఫలితం, మరియు దీని ప్రధాన సారాంశం కణాలు వివిధ శక్తి స్థాయిల మధ్య మారడమే. కాంతి మరియు పదార్థం మధ్య పరస్పర చర్యలో మూడు విభిన్న ప్రక్రియలు ఉన్నాయి: ఆకస్మిక ఉద్గారం, ప్రేరిత ఉద్గారం మరియు ప్రేరిత శోషణ. అధిక సంఖ్యలో కణాలను కలిగి ఉన్న వ్యవస్థలో, ఈ మూడు ప్రక్రియలు ఎల్లప్పుడూ సహజీవనం చేస్తాయి మరియు ఒకదానికొకటి దగ్గరి సంబంధం కలిగి ఉంటాయి.

ఆకస్మిక ఉద్గారం:

పటంలో చూపిన విధంగా: అధిక శక్తి స్థాయి E2 లోని ఒక ఎలక్ట్రాన్ స్వయంగా అల్ప శక్తి స్థాయి E1 కు పరివర్తనం చెంది hv శక్తి గల ఒక ఫోటాన్‌ను విడుదల చేస్తుంది, మరియు hv=E2-E1; ఈ స్వయంగా జరిగే మరియు సంబంధం లేని పరివర్తన ప్రక్రియను స్వయ పరివర్తనం అని అంటారు, మరియు స్వయ పరివర్తనాల ద్వారా విడుదలయ్యే కాంతి తరంగాలను స్వయ వికిరణం అని అంటారు.

స్వచ్ఛంద ఉద్గారం యొక్క లక్షణాలు: ప్రతి ఫోటాన్ స్వతంత్రంగా, విభిన్న దిశలు మరియు దశలతో ఉంటుంది, మరియు దాని ఆవిర్భావ సమయం కూడా యాదృచ్ఛికంగా ఉంటుంది. ఇది అసంబద్ధమైన మరియు అస్తవ్యస్తమైన కాంతికి చెందినది, ఇది లేజర్‌కు అవసరమైన కాంతి కాదు. అందువల్ల, లేజర్ ఉత్పత్తి ప్రక్రియలో ఈ రకమైన చెల్లాచెదురు కాంతిని తగ్గించాల్సిన అవసరం ఉంది. వివిధ లేజర్‌ల తరంగదైర్ఘ్యాలలో చెల్లాచెదురు కాంతి ఉండటానికి ఇది కూడా ఒక కారణం. దీనిని సరిగ్గా నియంత్రిస్తే, లేజర్‌లోని స్వచ్ఛంద ఉద్గారం యొక్క నిష్పత్తిని విస్మరించవచ్చు. 1060 nm వంటి స్వచ్ఛమైన లేజర్‌కు సాపేక్షంగా స్థిరమైన శోషణ రేటు మరియు శక్తి ఉంటాయి.

ఉత్తేజిత శోషణ:

తక్కువ శక్తి స్థాయిలలో (తక్కువ ఆర్బిటాల్స్) ఉన్న ఎలక్ట్రాన్లు, ఫోటాన్లను శోషించుకున్న తర్వాత, అధిక శక్తి స్థాయిలకు (అధిక ఆర్బిటాల్స్) పరివర్తన చెందుతాయి, మరియు ఈ ప్రక్రియను ప్రేరిత శోషణ అంటారు. ప్రేరిత శోషణ చాలా కీలకమైనది మరియు ముఖ్యమైన పంపింగ్ ప్రక్రియలలో ఒకటి. లేజర్ యొక్క పంప్ సోర్స్, గెయిన్ మీడియంలోని కణాలను పరివర్తన చెందడానికి మరియు అధిక శక్తి స్థాయిలలో ప్రేరిత వికిరణం కోసం వేచి ఉండటానికి కారణమయ్యే ఫోటాన్ శక్తిని అందిస్తుంది, తద్వారా లేజర్‌ను విడుదల చేస్తుంది.

ప్రేరిత రేడియేషన్:

బాహ్య శక్తి (hv=E2-E1) గల కాంతితో ప్రకాశింపజేసినప్పుడు, అధిక శక్తి స్థాయిలో ఉన్న ఎలక్ట్రాన్ బాహ్య ఫోటాన్ ద్వారా ఉత్తేజితమై అల్ప శక్తి స్థాయికి దూకుతుంది (అధిక కక్ష్య నుండి అల్ప కక్ష్యకు). అదే సమయంలో, అది బాహ్య ఫోటాన్‌ను ఖచ్చితంగా పోలిన ఒక ఫోటాన్‌ను విడుదల చేస్తుంది. ఈ ప్రక్రియ అసలు ఉత్తేజిత కాంతిని శోషించుకోదు, కాబట్టి రెండు ఒకేలాంటి ఫోటాన్‌లు ఉంటాయి. దీనిని, ఎలక్ట్రాన్ గతంలో శోషించుకున్న ఫోటాన్‌ను బయటకు ఉమ్మివేయడంగా అర్థం చేసుకోవచ్చు. ఈ ప్రకాశ ప్రక్రియను ప్రేరిత వికిరణం అంటారు, ఇది ప్రేరిత శోషణకు వ్యతిరేక ప్రక్రియ.

సిద్ధాంతం స్పష్టమైన తర్వాత, పై చిత్రంలో చూపిన విధంగా లేజర్‌ను నిర్మించడం చాలా సులభం: పదార్థ స్థిరత్వం యొక్క సాధారణ పరిస్థితులలో, ఎలక్ట్రాన్‌లలో అత్యధిక భాగం గ్రౌండ్ స్టేట్‌లో ఉంటాయి, మరియు లేజర్ ప్రేరిత వికిరణంపై ఆధారపడి ఉంటుంది. అందువల్ల, లేజర్ నిర్మాణం మొదట ప్రేరిత శోషణ జరగడానికి అనుమతించి, ఎలక్ట్రాన్‌లను అధిక శక్తి స్థాయికి తీసుకువస్తుంది, ఆపై అధిక సంఖ్యలో అధిక శక్తి స్థాయి ఎలక్ట్రాన్‌లు ప్రేరిత వికిరణానికి లోనయ్యేలా ఒక ఉత్తేజాన్ని అందించి, ఫోటాన్‌లను విడుదల చేస్తుంది, దీని నుండి లేజర్‌ను ఉత్పత్తి చేయవచ్చు. తరువాత, మనం లేజర్ నిర్మాణాన్ని పరిచయం చేస్తాము.

లేజర్ నిర్మాణం:

ముందుగా పేర్కొన్న లేజర్ ఉత్పత్తి పరిస్థితులతో లేజర్ నిర్మాణాన్ని ఒక్కొక్కటిగా సరిపోల్చండి:

సంభవించే పరిస్థితి మరియు సంబంధిత నిర్మాణం:

1. లేజర్ వర్కింగ్ మీడియంగా యాంప్లిఫికేషన్ ప్రభావాన్ని అందించే గెయిన్ మీడియం ఉంటుంది, మరియు దాని యాక్టివేటెడ్ కణాలు స్టిమ్యులేటెడ్ రేడియేషన్‌ను ఉత్పత్తి చేయడానికి అనువైన శక్తి స్థాయి నిర్మాణాన్ని కలిగి ఉంటాయి (ప్రధానంగా ఎలక్ట్రాన్‌లను అధిక-శక్తి ఆర్బిటాల్‌లకు పంప్ చేసి, కొంత కాలం పాటు అక్కడ ఉండి, ఆపై స్టిమ్యులేటెడ్ రేడియేషన్ ద్వారా ఒకేసారి ఫోటాన్‌లను విడుదల చేయగలవు);

2. YAG లేజర్‌లలోని జెనాన్ దీపం వంటి, దిగువ స్థాయి నుండి ఎగువ స్థాయికి ఎలక్ట్రాన్‌లను పంప్ చేయగల బాహ్య ఉత్ప్రేరక మూలం (పంప్ సోర్స్) ఉంటుంది, ఇది లేజర్ యొక్క ఎగువ మరియు దిగువ స్థాయిల మధ్య కణ సంఖ్య విలోమానికి కారణమవుతుంది (అంటే, తక్కువ-శక్తి కణాల కంటే అధిక-శక్తి కణాలు ఎక్కువగా ఉన్నప్పుడు);

3. లేజర్ డోలనాన్ని సాధించడం, లేజర్ పనిచేసే పదార్థం యొక్క పని పొడవును పెంచడం, కాంతి తరంగ మోడ్‌ను స్క్రీన్ చేయడం, పుంజం యొక్క ప్రచార దిశను నియంత్రించడం, ఏకవర్ణతను మెరుగుపరచడానికి ప్రేరేపిత వికిరణ పౌనఃపున్యాన్ని ఎంపికగా విస్తరించడం (లేజర్ ఒక నిర్దిష్ట శక్తితో వెలువడుతుందని నిర్ధారించడం) చేయగల ఒక రెసొనెంట్ కావిటీ ఉంది.

దానికి సంబంధించిన నిర్మాణం పై చిత్రంలో చూపబడింది, ఇది YAG లేజర్ యొక్క ఒక సరళమైన నిర్మాణం. ఇతర నిర్మాణాలు మరింత సంక్లిష్టంగా ఉండవచ్చు, కానీ దాని సారం ఇదే. లేజర్ ఉత్పత్తి ప్రక్రియ చిత్రంలో చూపబడింది:

లేజర్ వర్గీకరణ: సాధారణంగా గెయిన్ మీడియం లేదా లేజర్ శక్తి రూపం ఆధారంగా వర్గీకరించబడుతుంది.

లాభ మధ్యస్థ వర్గీకరణ:

కార్బన్ డయాక్సైడ్ లేజర్కార్బన్ డయాక్సైడ్ లేజర్ యొక్క గెయిన్ మీడియం హీలియం మరియుCO2 లేజర్,10.6um లేజర్ తరంగదైర్ఘ్యంతో, ఇది ప్రారంభించబడిన తొలి లేజర్ ఉత్పత్తులలో ఒకటి. తొలి లేజర్ వెల్డింగ్ ప్రధానంగా కార్బన్ డయాక్సైడ్ లేజర్‌పై ఆధారపడి ఉండేది, దీనిని ప్రస్తుతం ప్రధానంగా అలోహ పదార్థాలను (వస్త్రాలు, ప్లాస్టిక్‌లు, కలప మొదలైనవి) వెల్డింగ్ మరియు కత్తిరించడానికి ఉపయోగిస్తున్నారు. అదనంగా, దీనిని లితోగ్రఫీ యంత్రాలపై కూడా ఉపయోగిస్తారు. కార్బన్ డయాక్సైడ్ లేజర్ ఆప్టికల్ ఫైబర్‌ల ద్వారా ప్రసారం కాలేదు మరియు ప్రాదేశిక ఆప్టికల్ మార్గాల ద్వారా ప్రయాణిస్తుంది, తొలి వెల్డింగ్ చాలా బాగా జరిగింది, మరియు చాలా కటింగ్ పరికరాలు ఉపయోగించబడ్డాయి;

YAG (యిట్రియం అల్యూమినియం గార్నెట్) లేజర్: నియోడైమియం (Nd) లేదా యిట్రియం (Yb) లోహ అయాన్లతో డోప్ చేయబడిన YAG స్ఫటికాలను లేజర్ గెయిన్ మాధ్యమంగా ఉపయోగిస్తారు, దీని ఉద్గార తరంగదైర్ఘ్యం 1.06um ఉంటుంది. YAG లేజర్ అధిక పల్స్‌లను అవుట్‌పుట్ చేయగలదు, కానీ సగటు శక్తి తక్కువగా ఉంటుంది, మరియు గరిష్ట శక్తి సగటు శక్తికి 15 రెట్లు చేరుకోగలదు. ఇది ప్రధానంగా పల్స్ లేజర్ అయితే, నిరంతర అవుట్‌పుట్‌ను సాధించలేము; కానీ దీనిని ఆప్టికల్ ఫైబర్‌ల ద్వారా ప్రసారం చేయవచ్చు, మరియు అదే సమయంలో, లోహ పదార్థాల శోషణ రేటు పెరుగుతుంది, మరియు దీనిని అధిక పరావర్తన పదార్థాలలో అనువర్తించడం ప్రారంభమైంది, మొదట 3C రంగంలో దీనిని ఉపయోగించారు;

ఫైబర్ లేజర్: ప్రస్తుతం మార్కెట్‌లో ప్రధానంగా ఉపయోగించేది 1060nm తరంగదైర్ఘ్యంతో, గెయిన్ మీడియమ్‌గా యటెర్బియం డోప్డ్ ఫైబర్‌ను వాడుతుంది. దీనిని మాధ్యమం యొక్క ఆకారం ఆధారంగా ఫైబర్ మరియు డిస్క్ లేజర్‌లుగా విభజిస్తారు; ఫైబర్ ఆప్టిక్‌ను IPG అని, డిస్క్‌ను టోంగ్‌కువాయి అని అంటారు.

సెమీకండక్టర్ లేజర్: దీని గెయిన్ మీడియం ఒక సెమీకండక్టర్ PN జంక్షన్, మరియు సెమీకండక్టర్ లేజర్ యొక్క తరంగదైర్ఘ్యం ప్రధానంగా 976nm వద్ద ఉంటుంది. ప్రస్తుతం, సెమీకండక్టర్ నియర్-ఇన్‌ఫ్రారెడ్ లేజర్‌లను ప్రధానంగా క్లాడింగ్ కోసం ఉపయోగిస్తున్నారు, వీటి కాంతి చుక్కలు 600um కంటే ఎక్కువగా ఉంటాయి. లేజర్‌లైన్ అనేది సెమీకండక్టర్ లేజర్‌ల రంగంలో ఒక ప్రతినిధి సంస్థ.

శక్తి చర్య రూపం ప్రకారం వర్గీకరించబడింది: పల్స్ లేజర్ (PULSE), క్వాసీ కంటిన్యూయస్ లేజర్ (QCW), కంటిన్యూయస్ లేజర్ (CW)

పల్స్ లేజర్: నానోసెకండ్, పికోసెకండ్, ఫెమ్టోసెకండ్, ఈ అధిక-ఫ్రీక్వెన్సీ పల్స్ లేజర్ (ns, పల్స్ వెడల్పు) తరచుగా అధిక శిఖర శక్తిని, అధిక ఫ్రీక్వెన్సీ (MHZ) ప్రాసెసింగ్‌ను సాధించగలదు, దీనిని పలుచని రాగి మరియు అల్యూమినియం వంటి విభిన్న పదార్థాలను ప్రాసెస్ చేయడానికి, అలాగే ప్రధానంగా శుభ్రపరచడానికి ఉపయోగిస్తారు. అధిక శిఖర శక్తిని ఉపయోగించడం ద్వారా, ఇది తక్కువ చర్య సమయం మరియు చిన్న ఉష్ణ ప్రభావిత ప్రాంతంతో ఆధార పదార్థాన్ని త్వరగా కరిగించగలదు. అతి పలుచని పదార్థాలను (0.5mm కంటే తక్కువ) ప్రాసెస్ చేయడంలో దీనికి ప్రయోజనాలు ఉన్నాయి;

క్వాసీ కంటిన్యూయస్ లేజర్ (QCW): అధిక పునరావృత రేటు మరియు తక్కువ డ్యూటీ సైకిల్ (50% కంటే తక్కువ) కారణంగా, పల్స్ వెడల్పుQCW లేజర్ఇది 50 us-50 ms వరకు చేరుకుంటుంది, కిలోవాట్ స్థాయి నిరంతర ఫైబర్ లేజర్ మరియు Q-స్విచ్డ్ పల్స్ లేజర్ మధ్య అంతరాన్ని పూరిస్తుంది; నిరంతర మోడ్ ఆపరేషన్ కింద ఒక క్వాసీ నిరంతర ఫైబర్ లేజర్ యొక్క గరిష్ట శక్తి సగటు శక్తికి 10 రెట్లు చేరుకోగలదు. QCW లేజర్‌లకు సాధారణంగా రెండు మోడ్‌లు ఉంటాయి, ఒకటి తక్కువ శక్తితో నిరంతర వెల్డింగ్, మరియు మరొకటి సగటు శక్తికి 10 రెట్లు గరిష్ట శక్తితో పల్స్డ్ లేజర్ వెల్డింగ్, ఇది మందమైన పదార్థాలను మరియు ఎక్కువ వేడితో వెల్డింగ్ చేయగలదు, అదే సమయంలో వేడిని చాలా చిన్న పరిధిలో నియంత్రించగలదు;

నిరంతర లేజర్ (CW): ఇది అత్యంత సాధారణంగా ఉపయోగించబడుతుంది, మరియు మార్కెట్లో కనిపించే చాలా లేజర్‌లు వెల్డింగ్ ప్రాసెసింగ్ కోసం నిరంతరంగా లేజర్‌ను అవుట్‌పుట్ చేసే CW లేజర్‌లే. ఫైబర్ లేజర్‌లు వేర్వేరు కోర్ వ్యాసాలు మరియు బీమ్ నాణ్యతల ప్రకారం సింగిల్-మోడ్ మరియు మల్టీ-మోడ్ లేజర్‌లుగా విభజించబడ్డాయి, మరియు వీటిని వివిధ అప్లికేషన్ సందర్భాలకు అనుగుణంగా మార్చుకోవచ్చు.