லேசர் உருவாக்கத்தின் கொள்கை

லேசர்களின் தத்துவத்தை நாம் ஏன் தெரிந்துகொள்ள வேண்டும்?

பொதுவான குறைக்கடத்தி லேசர்கள், ஃபைபர்கள், வட்டுகள் மற்றும் இவற்றுக்கு இடையேயான வேறுபாடுகளை அறிந்துகொள்வதுYAG லேசர்தேர்வுச் செயல்முறையின் போது சிறந்த புரிதலைப் பெறவும், மேலும் கலந்துரையாடல்களில் ஈடுபடவும் இது உதவும்.

இக்கட்டுரை முக்கியமாகப் பொது அறிவியலில் கவனம் செலுத்துகிறது: லேசர் உருவாக்கும் கொள்கைக்கான ஒரு சுருக்கமான அறிமுகம், லேசர்களின் முக்கிய கட்டமைப்பு மற்றும் பல பொதுவான லேசர் வகைகள் ஆகியவை இதில் அடங்கும்.

முதலில், லேசர் உருவாக்கத்தின் கொள்கை

ஒளிக்கும் பொருளுக்கும் இடையிலான இடைவினையின் மூலம் லேசர் உருவாக்கப்படுகிறது; இது தூண்டப்பட்ட கதிர்வீச்சுப் பெருக்கம் என்று அழைக்கப்படுகிறது. தூண்டப்பட்ட கதிர்வீச்சுப் பெருக்கத்தைப் புரிந்துகொள்ள, ஐன்ஸ்டீனின் தன்னிச்சை உமிழ்வு, தூண்டப்பட்ட உள்ளீர்ப்பு மற்றும் தூண்டப்பட்ட கதிர்வீச்சு ஆகிய கருத்துகளையும், அத்துடன் சில அவசியமான கோட்பாட்டு அடிப்படைகளையும் புரிந்துகொள்ள வேண்டும்.

கோட்பாட்டு அடிப்படை 1: போர் மாதிரி

போர் மாதிரி முக்கியமாக அணுக்களின் உள் கட்டமைப்பை வழங்குகிறது, இது லேசர்கள் எவ்வாறு உருவாகின்றன என்பதைப் புரிந்துகொள்வதை எளிதாக்குகிறது. ஒரு அணுவானது ஒரு உட்கரு மற்றும் உட்கருவிற்கு வெளியே உள்ள எலக்ட்ரான்களால் ஆனது, மேலும் எலக்ட்ரான்களின் ஆர்பிட்டால்கள் தன்னிச்சையானவை அல்ல. எலக்ட்ரான்கள் குறிப்பிட்ட சில ஆர்பிட்டால்களை மட்டுமே கொண்டுள்ளன, அவற்றுள் மிக உள் ஆர்பிட்டால் அடித்தள நிலை என்று அழைக்கப்படுகிறது; ஒரு எலக்ட்ரான் அடித்தள நிலையில் இருந்தால், அதன் ஆற்றல் மிகக் குறைவாக இருக்கும். ஒரு எலக்ட்ரான் ஒரு ஆர்பிட்டாலிலிருந்து வெளியேறினால், அது முதல் கிளர்வு நிலை என்று அழைக்கப்படுகிறது, மேலும் முதல் கிளர்வு நிலையின் ஆற்றல் அடித்தள நிலையின் ஆற்றலை விட அதிகமாக இருக்கும்; மற்றொரு ஆர்பிட்டால் இரண்டாம் கிளர்வு நிலை என்று அழைக்கப்படுகிறது;

இந்த மாதிரியில் எலக்ட்ரான்கள் வெவ்வேறு சுற்றுப்பாதைகளில் நகர்வதால்தான் லேசர் உருவாகிறது. எலக்ட்ரான்கள் ஆற்றலை உறிஞ்சினால், அவை அடிநிலையிலிருந்து கிளர்வு நிலைக்குச் செல்ல முடியும்; ஒரு எலக்ட்ரான் கிளர்வு நிலையிலிருந்து அடிநிலைக்குத் திரும்பும்போது, ​​அது ஆற்றலை வெளியிடும், அந்த ஆற்றல் பெரும்பாலும் லேசர் வடிவில் வெளியிடப்படுகிறது.

கோட்பாட்டு அடிப்படை 2: ஐன்ஸ்டீனின் தூண்டப்பட்ட கதிர்வீச்சுக் கோட்பாடு

1917-ல், ஐன்ஸ்டீன் தூண்டப்பட்ட கதிர்வீச்சுக் கோட்பாட்டை முன்மொழிந்தார். இதுவே லேசர்கள் மற்றும் லேசர் உற்பத்திக்கான கோட்பாட்டு அடிப்படையாகும்: பொருளின் உள்ளீர்ப்பு அல்லது உமிழ்வு என்பது, அடிப்படையில் கதிர்வீச்சுப் புலத்திற்கும் பொருளை உருவாக்கும் துகள்களுக்கும் இடையிலான இடைவினையின் விளைவாகும். மேலும், துகள்கள் வெவ்வேறு ஆற்றல் நிலைகளுக்கு இடையில் மாறுவதே இதன் மையச் சாரமாகும். ஒளிக்கும் பொருளுக்கும் இடையிலான இடைவினையில் மூன்று வெவ்வேறு செயல்முறைகள் உள்ளன: தன்னிச்சையான உமிழ்வு, தூண்டப்பட்ட உமிழ்வு மற்றும் தூண்டப்பட்ட உள்ளீர்ப்பு. அதிக எண்ணிக்கையிலான துகள்களைக் கொண்ட ஒரு அமைப்பில், இந்த மூன்று செயல்முறைகளும் எப்போதும் ஒருங்கே நிலவுகின்றன மற்றும் நெருங்கிய தொடர்புடையவையாக இருக்கின்றன.

தன்னிச்சையான உமிழ்வு:

படத்தில் காட்டப்பட்டுள்ளபடி: உயர் ஆற்றல் நிலை E2-இல் உள்ள ஒரு எலக்ட்ரான், தன்னிச்சையாகக் குறைந்த ஆற்றல் நிலை E1-க்கு நிலைமாற்றம் அடைந்து, hv ஆற்றல் கொண்ட ஒரு ஃபோட்டானை வெளியிடுகிறது, இங்கு hv=E2-E1; இந்தத் தன்னிச்சையான மற்றும் தொடர்பற்ற நிலைமாற்றச் செயல்முறை, தன்னிச்சை நிலைமாற்றம் என்று அழைக்கப்படுகிறது, மேலும் தன்னிச்சை நிலைமாற்றங்களால் உமிழப்படும் ஒளி அலைகள் தன்னிச்சைக் கதிர்வீச்சு என்று அழைக்கப்படுகின்றன.

தன்னிச்சையான உமிழ்வின் பண்புகள்: ஒவ்வொரு ஃபோட்டானும் தனித்தன்மை வாய்ந்தது, வெவ்வேறு திசைகள் மற்றும் கட்டங்களைக் கொண்டது, மேலும் அது தோன்றும் நேரமும் சீரற்றது. இது ஒத்திசைவற்ற மற்றும் குழப்பமான ஒளியைச் சார்ந்தது, இது லேசருக்குத் தேவைப்படும் ஒளி அல்ல. எனவே, லேசர் உருவாக்கும் செயல்முறையில் இந்த வகையான சிதறல் ஒளியைக் குறைக்க வேண்டும். பல்வேறு லேசர்களின் அலைநீளத்தில் சிதறல் ஒளி இருப்பதற்கும் இது ஒரு காரணமாகும். நன்கு கட்டுப்படுத்தப்பட்டால், லேசரில் உள்ள தன்னிச்சையான உமிழ்வின் விகிதத்தைப் புறக்கணிக்கலாம். 1060 nm போன்ற தூய்மையான லேசருக்கு, அது முழுவதும் 1060 nm ஆக இருக்கும். இந்த வகை லேசர் ஒப்பீட்டளவில் நிலையான உறிஞ்சும் வீதத்தையும் ஆற்றலையும் கொண்டுள்ளது.

தூண்டப்பட்ட உறிஞ்சுதல்:

குறைந்த ஆற்றல் மட்டங்களில் (தாழ் சுற்றுப்பாதைகளில்) உள்ள எலக்ட்ரான்கள், ஃபோட்டான்களை உறிஞ்சிய பிறகு, உயர் ஆற்றல் மட்டங்களுக்கு (உயர் சுற்றுப்பாதைகளுக்கு) மாறுகின்றன, மேலும் இந்த செயல்முறை தூண்டப்பட்ட உறிஞ்சுதல் என்று அழைக்கப்படுகிறது. தூண்டப்பட்ட உறிஞ்சுதல் மிக முக்கியமானதும், முக்கிய பம்பிங் செயல்முறைகளில் ஒன்றுமாகும். லேசரின் பம்ப் மூலமானது, ஆதாய ஊடகத்தில் உள்ள துகள்களை நிலைமாற்றம் அடையச் செய்வதற்கும், உயர் ஆற்றல் மட்டங்களில் தூண்டப்பட்ட கதிர்வீச்சுக்காகக் காத்திருந்து லேசரை உமிழச் செய்வதற்கும் ஃபோட்டான் ஆற்றலை வழங்குகிறது.

தூண்டப்பட்ட கதிர்வீச்சு:

வெளிப்புற ஆற்றல் (hv=E2-E1) ஒளியால் கதிர்வீச்சு செய்யப்படும்போது, ​​உயர் ஆற்றல் மட்டத்தில் உள்ள எலக்ட்ரான் வெளிப்புற ஃபோட்டானால் கிளர்ச்சியடைந்து குறைந்த ஆற்றல் மட்டத்திற்குத் தாவுகிறது (உயர் சுற்றுப்பாதை குறைந்த சுற்றுப்பாதைக்கு நகர்கிறது). அதே நேரத்தில், அது வெளிப்புற ஃபோட்டானைப் போலவே இருக்கும் ஒரு ஃபோட்டானை வெளியிடுகிறது. இந்த செயல்முறை அசல் கிளர்ச்சி ஒளியை உறிஞ்சுவதில்லை, எனவே இரண்டு ஒத்த ஃபோட்டான்கள் இருக்கும். இதை, எலக்ட்ரான் முன்பு உறிஞ்சிய ஃபோட்டானை வெளியே துப்புகிறது என்று புரிந்து கொள்ளலாம். இந்த ஒளிர்தல் செயல்முறை தூண்டப்பட்ட கதிர்வீச்சு என்று அழைக்கப்படுகிறது, இது தூண்டப்பட்ட உறிஞ்சுதலின் தலைகீழ் செயல்முறையாகும்.

கோட்பாடு தெளிவாகப் புரிந்த பிறகு, மேலே உள்ள படத்தில் காட்டப்பட்டுள்ளபடி ஒரு லேசரை உருவாக்குவது மிகவும் எளிது: பொருளின் நிலைத்தன்மையின் இயல்பான நிலைகளில், பெரும்பாலான எலக்ட்ரான்கள் அடிநிலையில் (ground state) உள்ளன, மேலும் லேசர் தூண்டப்பட்ட கதிர்வீச்சைச் (induced radiation) சார்ந்துள்ளது. எனவே, லேசரின் கட்டமைப்பானது, முதலில் தூண்டப்பட்ட உறிஞ்சுதலை (induced absorption) நிகழ அனுமதித்து, எலக்ட்ரான்களை உயர் ஆற்றல் நிலைக்குக் கொண்டு வந்து, பின்னர் ஒரு கிளர்ச்சியை (excitation) வழங்குவதன் மூலம் அதிக எண்ணிக்கையிலான உயர் ஆற்றல் நிலை எலக்ட்ரான்களைத் தூண்டப்பட்ட கதிர்வீச்சுக்கு உட்படுத்தி, ஃபோட்டான்களை (photons) வெளியிடுவதாகும். இதிலிருந்து லேசரை உருவாக்க முடியும். அடுத்து, நாம் லேசரின் கட்டமைப்பை அறிமுகப்படுத்துவோம்.

லேசர் அமைப்பு:

முன்னர் குறிப்பிடப்பட்ட லேசர் உருவாக்கும் நிபந்தனைகளுடன் லேசரின் கட்டமைப்பை ஒவ்வொன்றாகப் பொருத்துக:

நிகழ்வின் நிலை மற்றும் அதற்கேற்ற அமைப்பு:

1. லேசரின் செயல்படும் ஊடகமாகப் பெருக்கும் விளைவை வழங்கும் ஒரு ஆதாய ஊடகம் உள்ளது, மேலும் அதன் செயல்படுத்தப்பட்ட துகள்கள், தூண்டப்பட்ட கதிர்வீச்சை உருவாக்குவதற்கு ஏற்ற ஆற்றல் நிலை அமைப்பைக் கொண்டுள்ளன (முக்கியமாக எலக்ட்ரான்களை உயர் ஆற்றல் சுற்றுப்பாதைகளுக்கு உந்தி, ஒரு குறிப்பிட்ட காலத்திற்கு அங்கு நிலைத்திருந்து, பின்னர் தூண்டப்பட்ட கதிர்வீச்சு மூலம் ஒரே மூச்சில் ஃபோட்டான்களை வெளியிடுகின்றன);

2. YAG லேசர்களில் உள்ள செனான் விளக்கு போன்ற, கீழ் மட்டத்திலிருந்து மேல் மட்டத்திற்கு எலக்ட்ரான்களை உந்தித் தள்ளக்கூடிய ஒரு வெளிப்புற கிளர்ச்சி மூலம் (உந்தித் தள்ளும் மூலம்) உள்ளது. இது லேசரின் மேல் மற்றும் கீழ் மட்டங்களுக்கு இடையில் துகள் எண்ணிக்கை தலைகீழ் மாற்றத்தை ஏற்படுத்துகிறது (அதாவது, குறைந்த ஆற்றல் துகள்களை விட அதிக ஆற்றல் துகள்கள் அதிகமாக இருக்கும்போது);

3. லேசர் அலைவை அடையக்கூடிய, லேசர் செயல்படும் பொருளின் வேலை நீளத்தை அதிகரிக்கக்கூடிய, ஒளி அலை முறையைத் திரையிடக்கூடிய, கற்றையின் பரவல் திசையைக் கட்டுப்படுத்தக்கூடிய, மற்றும் ஒற்றை நிறத்தன்மையை மேம்படுத்துவதற்காகத் தூண்டப்பட்ட கதிர்வீச்சு அதிர்வெண்ணைத் தேர்ந்தெடுத்துப் பெருக்கக்கூடிய (லேசர் ஒரு குறிப்பிட்ட ஆற்றலில் வெளிப்படுவதை உறுதிசெய்யும்) ஒரு அதிர்வுறு குழி உள்ளது.

அதற்குரிய கட்டமைப்பு மேலே உள்ள படத்தில் காட்டப்பட்டுள்ளது, இது ஒரு YAG லேசரின் எளிய கட்டமைப்பாகும். மற்ற கட்டமைப்புகள் மிகவும் சிக்கலானதாக இருக்கலாம், ஆனால் இதன் மையக்கரு இதுதான். லேசர் உருவாக்கும் செயல்முறை படத்தில் காட்டப்பட்டுள்ளது:

லேசர் வகைப்பாடு: பொதுவாக ஆதாய ஊடகம் அல்லது லேசர் ஆற்றல் வடிவத்தின் அடிப்படையில் வகைப்படுத்தப்படுகிறது.

ஆதாய ஊடக வகைப்பாடு:

கார்பன் டை ஆக்சைடு லேசர்கார்பன் டை ஆக்சைடு லேசரின் பெருக்க ஊடகம் ஹீலியம் ஆகும்.CO2 லேசர்,10.6um லேசர் அலைநீளத்துடன், இது அறிமுகப்படுத்தப்பட்ட ஆரம்பகால லேசர் தயாரிப்புகளில் ஒன்றாகும். ஆரம்பகால லேசர் பற்றவைப்பு முக்கியமாக கார்பன் டை ஆக்சைடு லேசரை அடிப்படையாகக் கொண்டது, இது தற்போது முக்கியமாக உலோகமல்லாத பொருட்களை (துணிகள், பிளாஸ்டிக், மரம் போன்றவை) பற்றவைக்கவும் வெட்டவும் பயன்படுத்தப்படுகிறது. கூடுதலாக, இது லித்தோகிராபி இயந்திரங்களிலும் பயன்படுத்தப்படுகிறது. கார்பன் டை ஆக்சைடு லேசரை ஒளியிழைகள் வழியாக அனுப்ப முடியாது மற்றும் அது இடஞ்சார்ந்த ஒளியியல் பாதைகள் வழியாகப் பயணிக்கிறது. ஆரம்பகால டோங்குவாய் ஒப்பீட்டளவில் சிறப்பாகச் செய்யப்பட்டது, மேலும் ஏராளமான வெட்டும் உபகரணங்கள் பயன்படுத்தப்பட்டன;

YAG (யிட்ரியம் அலுமினியம் கார்னெட்) லேசர்: நியோடைமியம் (Nd) அல்லது யிட்ரியம் (Yb) உலோக அயனிகள் கலக்கப்பட்ட YAG படிகங்கள் லேசரின் பெருக்க ஊடகமாகப் பயன்படுத்தப்படுகின்றன, இதன் உமிழ்வு அலைநீளம் 1.06um ஆகும். YAG லேசரால் அதிக துடிப்புகளை வெளியிட முடியும், ஆனால் அதன் சராசரி ஆற்றல் குறைவாக இருக்கும், மேலும் அதன் உச்சபட்ச ஆற்றல் சராசரி ஆற்றலை விட 15 மடங்கு அதிகமாக இருக்கலாம். இது முக்கியமாக ஒரு துடிப்பு லேசராக இருந்தால், தொடர்ச்சியான வெளியீட்டை அடைய முடியாது; ஆனால் இதை ஒளியிழைகள் வழியாக அனுப்ப முடியும், அதே நேரத்தில், உலோகப் பொருட்களின் உறிஞ்சும் விகிதம் அதிகரிக்கிறது, மேலும் இது அதிக பிரதிபலிப்புத் திறன் கொண்ட பொருட்களில் பயன்படுத்தத் தொடங்கியுள்ளது, முதலில் 3C துறையில் பயன்படுத்தப்பட்டது;

ஃபைபர் லேசர்: சந்தையில் தற்போது பரவலாகப் பயன்படுத்தப்படும் ஃபைபர் லேசர், 1060 நானோமீட்டர் அலைநீளத்துடன், இட்டர்பியம் கலக்கப்பட்ட ஃபைபரை பெருக்க ஊடகமாகப் பயன்படுத்துகிறது. இது ஊடகத்தின் வடிவத்தின் அடிப்படையில் ஃபைபர் மற்றும் டிஸ்க் லேசர்கள் என மேலும் பிரிக்கப்பட்டுள்ளது; ஃபைபர் ஆப்டிக் IPG எனவும், டிஸ்க் டோங்குவாய் எனவும் குறிப்பிடப்படுகிறது.

குறைக்கடத்தி லேசர்: இதன் பெருக்க ஊடகம் ஒரு குறைக்கடத்தி PN சந்தி ஆகும், மேலும் குறைக்கடத்தி லேசரின் அலைநீளம் முக்கியமாக 976 நானோமீட்டரில் உள்ளது. தற்போது, ​​குறைக்கடத்தி அண்மை அகச்சிவப்பு லேசர்கள் முக்கியமாக உறைப்பூச்சுக்கு (clading) பயன்படுத்தப்படுகின்றன, இவற்றின் ஒளிப் புள்ளிகள் 600 மைக்ரோமீட்டருக்கு மேல் இருக்கும். லேசர்லைன் என்பது குறைக்கடத்தி லேசர்களின் ஒரு முன்னணி நிறுவனமாகும்.

ஆற்றல் செயல்பாட்டின் வடிவத்தின் அடிப்படையில் வகைப்படுத்தப்படுகிறது: துடிப்பு லேசர் (PULSE), பகுதி தொடர் லேசர் (QCW), தொடர் லேசர் (CW)

துடிப்பு லேசர்: நானோநொடி, பிக்கோநொடி, ஃபெம்டோநொடி, இந்த உயர் அதிர்வெண் துடிப்பு லேசர் (ns, துடிப்பு அகலம்) பெரும்பாலும் உயர் உச்ச ஆற்றல், உயர் அதிர்வெண் (MHZ) செயலாக்கத்தை அடையக்கூடியது. இது மெல்லிய தாமிரம் மற்றும் அலுமினியம் போன்ற வேறுபட்ட பொருட்களைப் பதப்படுத்தவும், முக்கியமாக சுத்தம் செய்வதற்கும் பயன்படுத்தப்படுகிறது. உயர் உச்ச ஆற்றலைப் பயன்படுத்துவதன் மூலம், இது குறைந்த செயல்பாட்டு நேரம் மற்றும் சிறிய வெப்ப பாதிப்பு மண்டலத்துடன், அடிப்படைப் பொருளை விரைவாக உருக்க முடியும். இது மிக மெல்லிய பொருட்களை (0.5 மிமீக்குக் கீழ்) பதப்படுத்துவதில் நன்மைகளைக் கொண்டுள்ளது.

பகுதி தொடர் லேசர் (QCW): அதிக மறுநிகழ்வு வீதம் மற்றும் குறைந்த பணிச் சுழற்சி (50%க்கும் குறைவானது) காரணமாக, இதன் துடிப்பு அகலம்QCW லேசர்50 மைக்ரோ விநாடி முதல் 50 மில்லி விநாடி வரையிலான வரம்பை அடைந்து, கிலோவாட் அளவிலான தொடர்ச்சியான ஃபைபர் லேசருக்கும் க்யூ-ஸ்விட்ச்டு பல்ஸ் லேசருக்கும் இடையிலான இடைவெளியை நிரப்புகிறது; ஒரு பகுதி-தொடர்ச்சியான ஃபைபர் லேசரின் உச்சபட்ச சக்தி, தொடர்ச்சியான பயன்முறை செயல்பாட்டின் கீழ் சராசரி சக்தியை விட 10 மடங்கு அதிகமாக அடைய முடியும். க்யூசிடபிள்யூ (QCW) லேசர்கள் பொதுவாக இரண்டு பயன்முறைகளைக் கொண்டுள்ளன, ஒன்று குறைந்த சக்தியில் தொடர்ச்சியான பற்றவைப்பு, மற்றொன்று சராசரி சக்தியை விட 10 மடங்கு உச்சபட்ச சக்தியுடன் கூடிய துடிப்புள்ள லேசர் பற்றவைப்பு ஆகும். இதன் மூலம் தடிமனான பொருட்கள் மற்றும் அதிக வெப்ப பற்றவைப்பை அடைய முடியும், அதே நேரத்தில் வெப்பத்தை மிகச் சிறிய வரம்பிற்குள் கட்டுப்படுத்தவும் முடியும்.

தொடர் லேசர் (CW): இது மிகவும் பரவலாகப் பயன்படுத்தப்படுகிறது, மேலும் சந்தையில் காணப்படும் பெரும்பாலான லேசர்கள், பற்றவைப்புச் செயலாக்கத்திற்காகத் தொடர்ச்சியாக லேசரை வெளியிடும் CW லேசர்களாகும். ஃபைபர் லேசர்கள், வெவ்வேறு கோர் விட்டங்கள் மற்றும் கற்றைத் தன்மைகளுக்கு ஏற்ப ஒற்றை-முறை மற்றும் பல-முறை லேசர்களாகப் பிரிக்கப்படுகின்றன, மேலும் அவை வெவ்வேறு பயன்பாட்டுச் சூழல்களுக்கு ஏற்ப மாற்றியமைக்கப்படலாம்.