レーザー発生原理

なぜレーザーの原理を知る必要があるのでしょうか?

一般的な半導体レーザー、ファイバー、ディスク、およびレーザーの違いを理解するYAGレーザーまた、選考プロセス中に理解を深め、より多くの議論に参加するのにも役立ちます。

この記事は主に一般的な科学に焦点を当てており、レーザー発生原理、レーザーの主な構造、およびいくつかの一般的なタイプのレーザーについて簡単に紹介します。

まずレーザー発生原理

レーザーは、誘導放射線増幅として知られる光と物質の間の相互作用を通じて生成されます。誘導放射線増幅を理解するには、アインシュタインの自然放出、誘導吸収、誘導放射線の概念と、必要な理論的基礎を理解する必要があります。

理論的根拠 1: ボーア模型

ボーア模型は主に原子の内部構造を提供するため、レーザーがどのように発生するかを理解しやすくなります。原子は原子核とその外側の電子から構成されており、電子の軌道は任意ではありません。電子は特定の軌道のみを持ち、その中で最も内側の軌道は基底状態と呼ばれます。電子が基底状態にある場合、そのエネルギーは最も低くなります。電子が軌道から飛び出す場合、それは第一励起状態と呼ばれ、第一励起状態のエネルギーは基底状態のエネルギーよりも高くなります。別の軌道は第 2 励起状態と呼ばれます。

レーザーが発生する理由は、このモデルでは電子が異なる軌道を移動するためです。電子がエネルギーを吸収すると、基底状態から励起状態に移行することができます。電子が励起状態から基底状態に戻るとエネルギーが放出され、多くの場合レーザーの形で放出されます。

理論的根拠 2: アインシュタインの誘導放射線理論

1917 年、アインシュタインは、レーザーとレーザー生成の理論的基礎である誘導放射の理論を提案しました。物質の吸収または放出は、本質的に、放射場と、物質を構成する粒子とその核との間の相互作用の結果です。本質は、異なるエネルギーレベル間の粒子の遷移です。光と物質の間の相互作用には、自然放出、誘導放出、誘導吸収という 3 つの異なるプロセスがあります。多数の粒子を含む系では、これら 3 つのプロセスが常に共存し、密接に関連しています。

自然放出:

図に示すように、高エネルギー準位 E2 の電子は自発的に低エネルギー準位 E1 に遷移し、hv のエネルギーを持つ光子を放出します (hv=E2-E1)。この自発的かつ無関係な遷移プロセスを自発遷移と呼び、自発遷移によって放出される光波を自発放射と呼びます。

自然放出の特徴：各光子は独立しており、方向や位相が異なり、発生時間もランダムです。これはインコヒーレントでカオスな光に属し、レーザーが必要とする光ではありません。したがって、レーザー生成プロセスでは、この種の迷光を減らす必要があります。これは、さまざまなレーザーの波長に迷光がある理由の 1 つでもあります。適切に制御されていれば、レーザー内の自然放出の割合は無視できます。 1060 nm など、より純粋なレーザーはすべて 1060 nm です。このタイプのレーザーは比較的安定した吸収率とパワーを持っています。

刺激吸収:

低いエネルギー レベル (低軌道) にある電子は、光子を吸収した後、より高いエネルギー レベル (高軌道) に遷移します。このプロセスは誘導吸収と呼ばれます。刺激された吸収は非常に重要であり、重要なポンピングプロセスの 1 つです。レーザーのポンプ源は、光子エネルギーを提供して利得媒質内の粒子を遷移させ、より高いエネルギーレベルでの誘導放射を待ち、レーザーを放射します。

誘導放射線:

外部エネルギー（hv=E2-E1）の光が照射されると、高エネルギー準位の電子が外部光子によって励起され、低エネルギー準位にジャンプします（高軌道が低軌道に走る）。同時に、外部光子とまったく同じ光子を放出します。このプロセスは元の励起光を吸収しないため、2 つの同一の光子が存在します。これは、電子が以前に吸収した光子を吐き出すと理解できます。この発光プロセスは誘導放射と呼ばれ、誘導吸収の逆のプロセスです。

理論が明確になった後は、上の図に示すように、レーザーを構築するのは非常に簡単です。材料が安定している通常の条件下では、大部分の電子は基底状態にあり、電子は基底状態にあり、レーザーは次の条件に依存します。刺激放射線。したがって、レーザーの構造は、まず誘導吸収を発生させて電子を高エネルギー準位にし、次に励起を与えることで多数の高エネルギー準位の電子が誘導放射を受け、光子を放出するというものです。レーザーを発生させることができます。次にレーザーの構造を紹介します。

レーザー構造:

レーザー構造を前述のレーザー生成条件と 1 つずつ一致させます。

発生条件と対応する構造:

1. レーザーの作動媒体として増幅効果をもたらす利得媒体があり、その活性化粒子は誘導放射線の発生に適したエネルギー準位構造（主に電子を高エネルギー軌道にポンピングし、一定時間存在できる）を持っています。 、そして刺激された放射線によって一度の呼吸で光子を放出します）。

2. 電子を下位準位から上位準位にポンピングできる外部励起源 (ポンプ源) があり、レーザーの上位準位と下位準位の間で粒子数の逆転を引き起こします (つまり、高エネルギー粒子がより多く存在する場合)低エネルギー粒子）、YAG レーザーのキセノン ランプなど。

3. レーザー発振を達成し、レーザー加工材料の作動長を増加し、光波モードを遮蔽し、ビームの伝播方向を制御し、誘導放射周波数を選択的に増幅して単色性を向上させることができる共振空洞があります（レーザーは一定のエネルギーで出力されます）。

対応する構造は上の図に示されており、YAG レーザーの単純な構造です。他の構造はもっと複雑かもしれませんが、核心はこれです。レーザー生成プロセスを図に示します。

レーザーの分類: 一般に利得媒体またはレーザーのエネルギー形態によって分類されます。

ゲイン媒体分類:

炭酸ガスレーザー: 炭酸ガスレーザーの利得媒体はヘリウムであり、CO2レーザー、レーザー波長は 10.6um で、これは発売された最も初期のレーザー製品の 1 つです。初期のレーザー溶接は主に二酸化炭素レーザーに基づいていましたが、現在では主に非金属材料 (布地、プラスチック、木材など) の溶接と切断に使用されています。その他、露光装置にも使用されています。二酸化炭素レーザーは光ファイバーを介して伝送することができず、空間光路を通って移動します。初期のトンクアイは比較的うまく行われ、多くの切断装置が使用されました。

YAG (イットリウム・アルミニウム・ガーネット) レーザー: ネオジム (Nd) またはイットリウム (Yb) 金属イオンをドープした YAG 結晶がレーザー利得媒体として使用され、発光波長は 1.06um です。 YAG レーザーはより高いパルスを出力できますが、平均出力は低く、ピーク出力は平均出力の 15 倍に達することがあります。パルスレーザー主体の場合は連続出力が得られません。しかし、光ファイバーを介して伝送できると同時に、金属材料の吸収率が増加し、高反射率材料への応用が始まり、最初は3C分野で応用され始めています。

ファイバーレーザー: 現在の市場の主流は、波長 1060nm のイッテルビウムドープファイバーを利得媒体として使用します。さらに媒体の形状に基づいてファイバーレーザーとディスクレーザーに分類されます。光ファイバーは IPG を表し、ディスクは Tongkuai を表します。

半導体レーザー: 利得媒体は半導体 PN 接合であり、半導体レーザーの波長は主に 976nm です。現在、半導体近赤外レーザーは主にクラッド用途に使用されており、光スポットは600um以上です。レーザーラインは半導体レーザーの代表的な企業です。

エネルギー作用の形態による分類：パルスレーザー（PULSE）、準連続レーザー（QCW）、連続レーザー（CW）

パルス レーザー: ナノ秒、ピコ秒、フェムト秒、この高周波パルス レーザー (ns、パルス幅) は、多くの場合、高いピーク エネルギー、高周波 (MHZ) 処理を実現でき、薄い銅やアルミニウムの異種材料の加工や主な洗浄に使用されます。 。高いピークエネルギーを使用することで、短い動作時間と小さな熱影響範囲で基材を迅速に溶解できます。極薄材料（0.5mm未満）の加工に利点があります。

準連続レーザー (QCW): 高い繰り返し率と低いデューティ サイクル (50% 未満) により、パルス幅はQCWレーザー50us-50msに達し、キロワットレベルの連続ファイバーレーザーとQスイッチパルスレーザーの間のギャップを埋めます。準連続ファイバーレーザーのピークパワーは、連続モード動作下では平均パワーの 10 倍に達することがあります。 QCW レーザーには一般に 2 つのモードがあり、1 つは低出力での連続溶接、もう 1 つは平均出力の 10 倍のピーク出力でのパルスレーザー溶接です。これにより、材料を厚くし、より多くの熱溶接を実現でき、同時に熱を一定範囲内で制御できます。非常に狭い範囲。

連続レーザー（CW）：これが最も一般的に使用されており、市場で見られるレーザーのほとんどは溶接加工用にレーザーを連続的に出力するCWレーザーです。ファイバーレーザーは、さまざまなコア直径とビーム品質に応じてシングルモードレーザーとマルチモードレーザーに分類され、さまざまなアプリケーションシナリオに適応できます。