Los láseres, debido a sus propiedades físicas únicas, a menudo se denominan "el cuchillo más rápido", "la regla más precisa" y "la luz más brillante".

Comprender las diferencias entre los láseres de semiconductores comunes, las fibras, los discos y los láseres de YAG puede proporcionar más información al elegir modelos y también ofrecer más temas para la discusión. Este artículo es principalmente educativo, con el objetivo de introducir brevemente los principios de la generación de láser, la estructura principal de los láseres y varios tipos comunes de láseres .

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La palabra inglesa "láser" se deriva del acrónimo de "amplificación de la luz mediante emisión estimulada de radiación", lo que significa la amplificación de la luz a través de la emisión estimulada de radiación. Inicialmente, la traducción china de "láser" se transcribió fonéticamente como "镭射" (que todavía se usa en regiones como Hong Kong y Taiwán de China), pero más tarde, bajo la defensa de la figura líder en ciencia y tecnología, Qian Xuesen se refería uniformemente como "激光" en China continental.

Los láseres se producen a través de la interacción entre la luz y la materia, es decir, la llamada amplificación de la luz mediante la emisión estimulada de radiación. Comprender este proceso requiere el conocimiento de los conceptos propuestos por Einstein, como la emisión espontánea, la absorción estimulada y la emisión estimulada, junto con algunas bases teóricas necesarias.

El modelo BOHR proporciona principalmente una comprensión de la estructura interna de los átomos, facilitando la comprensión de cómo se generan los láseres. Los átomos consisten en un núcleo y electrones que orbitan a su alrededor. Las órbitas de los electrones no son arbitrarias; Solo hay órbitas específicas disponibles para ellos. La órbita más interna se conoce como estado fundamental; Cuando un electrón está en el estado fundamental, su energía está en su punto más bajo. Si un electrón salta a una órbita externa, se dice que está en el primer estado excitado, que tiene un nivel de energía más alto que el estado fundamental; Mudarse a otra órbita externa pone el electrón en el segundo estado excitado.

La generación de láseres es posible porque los electrones se mueven entre estas diferentes órbitas dentro del modelo. Si un electrón absorbe energía, puede moverse del estado fundamental a un estado excitado; Por el contrario, cuando un electrón se remonta a un estado excitado al estado fundamental, libera energía, que a menudo se emite en forma de láser.

Emisión espontánea

Como se muestra: un electrón en un nivel de energía más alto, E2, transmite espontáneamente a un nivel de energía más bajo, E1, y emite un fotón con energía HV, donde HV = E2-E1. Este proceso de transición espontáneo, que es independiente de las influencias externas, se conoce como emisión espontánea, y las ondas de luz emitidas durante este proceso se consideran radiación espontánea.

Características de la emisión espontánea: cada fotón es independiente, con diferentes direcciones y fases, y el momento de la emisión es aleatorio, lo que conduce a una luz incoherente que es caótica y no lo que se desea para los láseres. Por lo tanto, el proceso de generación láser tiene como objetivo reducir este tipo de luz perdida. Esta es una de las razones de la presencia de longitudes de onda perdidas en dispositivos láser. Con el control adecuado, la proporción de emisión espontánea en dispositivos láser puede ser insignificante, lo que lleva a láseres más puros. Por ejemplo, si se especifica un láser como 1060, significa que todas las longitudes de onda emitidas son exactamente 1060 nm, lo que resulta en un láser con tasas de absorción más estables y potencia de salida.

Absorción estimulada

Cuando un electrón en un nivel de energía más bajo (órbita inferior) absorbe un fotón y las transiciones a un nivel de energía más alto (órbita más alta), este proceso se llama absorción estimulada. La absorción estimulada es crucial; Es uno de los procesos clave en el bombeo, donde la fuente de la bomba proporciona energía de fotones para causar partículas en el medio de ganancia a la transición a niveles de energía más altos, esperando la emisión estimulada para producir láser .

Emisión estimulada

Cuando se expone a la luz de energía externa (HV = E2-E1), el fotón entrante estimula un electrón, el fotón entrante a un nivel de energía más bajo (de una órbita más alta a una órbita inferior), y en el proceso, emite un fotón idéntico al fotón entrante. Este proceso no absorbe la luz estimulante original, lo que resulta en dos fotones idénticos. Se puede entender como el electrón que libera el fotón previamente absorbido, un proceso conocido como emisión estimulada, que es el proceso inverso de absorción estimulada.

Con una comprensión clara de la teoría, construir un láser se vuelve directo. Como se muestra, en condiciones normales, la gran mayoría de los electrones están en el estado fundamental. La generación de láser se basa en la emisión estimulada, por lo que la estructura de un láser está diseñada para inducir primero la absorción estimulada, elevando los electrones a niveles de energía más altos. Luego, con estimulación, una gran cantidad de electrones de alta energía sufren emisiones estimuladas, liberando fotones. Este proceso genera luz láser. A continuación, presentaremos la estructura de un láser.

La estructura de un láser corresponde directamente con las condiciones requeridas para la generación láser como se discutió anteriormente:

Un medio de ganancia sirve como medio de trabajo para el láser, con partículas activadas que poseen la estructura del nivel de energía adecuada para producir una emisión estimulada (principalmente capaz de bombear electrones a órbitas de alta energía y mantenerlas allí durante una cierta duración antes de liberar la emisión estimulada de una vez).

Una fuente de excitación externa (fuente de la bomba) puede bombear electrones de niveles de energía más bajos a más altos, creando una inversión de la población entre los niveles de energía superiores e inferiores del láser (donde hay más partículas en el nivel de energía más alto que en el inferior), como la lámpara de xenón en un láser YAG.

Una cavidad resonante para lograr la oscilación láser, que extiende la longitud de trabajo del material láser, filtra los modos de ondas de luz, controla la dirección de la propagación del haz y amplifica selectivamente la frecuencia de la luz de emisión estimulada para mejorar la monocromaticidad (asegurando que el láser alcance una cierta energía antes de la salida).

Las estructuras correspondientes se ilustran como en el diagrama de una configuración láser básica de YAG; Otros pueden ser más complejos, pero el principio central gira en torno al proceso de generación láser como se muestra en el diagrama.

1. Basado en el medio de ganancia

Láseres de dióxido de carbono

El medio de ganancia para los láseres de dióxido de carbono es una mezcla de helio y CO2, que produce una longitud de onda láser de 10.6um. Estos estuvieron entre los primeros láseres en ser comercializados, inicialmente dominando las aplicaciones de soldadura por láser. Actualmente, se utilizan principalmente para soldar y cortar materiales no metálicos (como telas, plásticos, madera, etc.) y en máquinas de litografía. Los láseres de dióxido de carbono no se pueden transmitir a través de fibras ópticas y confiar en rutas ópticas del espacio libre, encontrando un uso extenso en equipos de corte.

Láseres YAG (granate de aluminio Ytrio)

Utilice un cristal YAG dopado con iones metálicos de neodimio (ND) o ITTERBIUM (YB) como medio de ganancia láser, emitiendo una longitud de onda de 1.06um. Los láseres de YAG pueden producir pulsos altos pero tienen una potencia promedio más baja, con una potencia máxima hasta 15 veces la potencia promedio. Son principalmente láseres de pulso y no pueden mantener la salida continua. Sin embargo, se pueden transmitir a través de fibras ópticas y han aumentado las tasas de absorción en los materiales metálicos, inicialmente encontrando aplicaciones en el procesamiento de materiales reflectantes y el sector 3C (computadora, comunicación y electrónica de consumo).

Láser de fibra

La corriente principal actual en el mercado, utilizando fibra dopada con itterbium como medio de ganancia, con una longitud de onda de 1060 nm. Dependiendo de la forma del medio, se pueden dividir aún más en láseres de fibra y disco.

Láseres de semiconductores

El medio de ganancia es una unión PN semiconductora, con la longitud de onda de los láseres semiconductores principalmente a 976 nm. Actualmente, los láseres de semiconductores de infrarrojo cercano se utilizan principalmente en aplicaciones de revestimiento, con puntos de haz superiores a 600um.

2. Clasificación por modo de interacción energética

Láseres pulsados

Operando en nanosegundos, picosegundos y femtosegundos, estos láseres pulsados ​​de alta frecuencia (NS que indican el ancho del pulso) pueden lograr un procesamiento de alta energía máxima y alta frecuencia (MHz). Se utilizan para el procesamiento de cobre y aluminio de placa delgada de materiales diferentes y limpieza, que se benefician de su alta energía máxima para la fusión rápida del material base, tiempos de interacción cortos y zonas mínimas afectadas al calor, proporcionando ventajas en el procesamiento de materiales ultra delgados (por debajo de 0.5 mm).

Láseres de onda cuasi-continuos (QCW)

Los láseres de onda cuasi-continuos, con altas tasas de repetición y ciclos de bajo impuesto (por debajo del 50%), tienen anchos de pulso que varían de 50 µs a 50 ms. Los láseres de fibra cuasi-continuos unen la brecha entre los láseres de fibra continua a nivel de kilovatio y los láseres de pulso modulado; Su potencia máxima puede alcanzar hasta 10 veces la potencia promedio de la operación de modo continuo. Los láseres QCW generalmente tienen dos modos: soldadura continua de baja potencia y soldadura con láser de pulso de potencia de alto pico a 10 veces la potencia promedio, lo que permite soldar materiales más gruesos y más calor mientras controla el calor dentro de un rango pequeño.

Láseres de olas continuas (CW)

Estos son los láseres más utilizados, con la mayoría de los láseres vistos en el mercado siendo una ola continua. Proporcionan salida de láser continuo para soldadura y procesamiento. Los láseres de fibra, dependiendo de su diámetro central y su calidad de haz, se dividen en láseres de modo único y multimodo, adaptables para diferentes escenarios de aplicación.

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