Cómo funciona la máquina de corte por láser

Principios básicos de la luz

1. Emisión espontánea y emisión estimulada

La emisión espontánea es la emisión espontánea de átomos excitados a partir de alta energía sin ninguna influencia externa. El nivel de energía pasa a un nivel de energía más bajo e irradia un fotón al mismo tiempo. hn=E2-E1.

Supongamos que el material luminiscente está en el nivel de energía E1 por unidad de volumen, y que el número de átomos de E2 son N1 y N2 respectivamente, entonces el número de átomos que irradian espontáneamente de E2 a E1 por unidad de tiempo es

A21 es la probabilidad de emisión espontánea (tasa de transición espontánea): representa la probabilidad de que un átomo irradie espontáneamente de E2 a E1 en una unidad de tiempo.

Los átomos con alto nivel de energía E2 son excitados por fotones externos con energía hn= E2- E1, y se ven obligados a pasar del alto nivel de energía E2 al bajo nivel de energía E1, y al mismo tiempo irradian un átomo. que es idéntico al fotón de excitación de fotones. llamada radiación estimulada.

W21 representa la probabilidad de que un átomo pase de E2 a E1 en unidad de tiempo.

2. Inversión del número de partículas

La absorción estimulada es proporcional al número atómico N1 de E1, y la emisión estimulada es proporcional al número atómico N2 de E2. Cuando N2 < N1, la emisión estimulada que se produce es mucho menor que la absorción estimulada que se produce y es imposible lograr una amplificación de la luz. Para lograr la amplificación de la luz, se deben tomar medidas especiales para romper la distribución de Boltzmann de números atómicos en equilibrio térmico de modo que N2>N1. A este estado del sistema lo llamamos inversión de población (o sistema de "temperatura negativa"). Por tanto, la primera condición para generar luz láser es lograr la inversión del número de partículas.

Un medio que puede lograr la inversión del número de partículas se llama medio de activación. Para provocar la distribución de inversión del número de partículas, el medio debe tener primero una estructura de niveles de energía adecuada y, en segundo lugar, se debe introducir la energía necesaria en el sistema. El proceso de suministrar energía a átomos en un estado de baja energía para hacer que salten a un estado de alta energía se llama proceso de bombeo.

3. Cavidad de resonancia óptica

En el láser, la cavidad de resonancia óptica se utiliza para formar el fuerte campo de radiación requerido, de modo que la densidad de energía del campo de radiación es mucho mayor que la el valor en equilibrio térmico, lo que hace que la probabilidad de emisión estimulada sea mucho mayor que la probabilidad de emisión espontánea.

La parte principal de la cavidad resonante óptica son dos espejos paralelos entre sí y perpendiculares al eje del medio activo. Uno es un espejo de reflexión total y el otro es un espejo de reflexión parcial. Bajo estimulación externa a través de diversos medios como luz, calor, electricidad, química o energía nuclear, el medio activado en la cavidad resonante logrará la inversión del número de partículas entre dos niveles de energía. En este momento, se genera radiación estimulada. En la luz de radiación estimulada generada, la luz que se propaga a lo largo de la dirección axial se refleja hacia adelante y hacia atrás entre los dos espejos y pasa hacia adelante y hacia atrás a través del medio de activación que ha logrado la inversión del número de partículas, causando constantemente nueva radiación estimulada. La radiación de excitación amplifica la luz que viaja axialmente de esta frecuencia. Este proceso se llama oscilación óptica. Este es un proceso de amplificación de avalancha, que hace que la luz a lo largo de la dirección axial en la cavidad resonante aumente repentinamente, por lo que la densidad de energía del campo de radiación aumenta considerablemente y la emisión estimulada supera con creces la emisión espontánea. Esta radiación estimulada sale del espejo parcialmente reflectante y es un láser. La luz que se propaga en otras direcciones escapa rápidamente por el lado de la cavidad resonante y no puede amplificarse más. La frecuencia producida por la radiación espontánea no se puede amplificar. Por lo tanto, la salida del láser del resonador tiene buena directividad y monocromaticidad.

Características del láser

1. Buena monocromaticidad

2. Buena direccionalidad

3. 4. Concentración de energía

Aplicación del láser

1. Alcance del láser

2. Procesamiento con láser y tratamiento médico con láser

3. procesamiento de información y comunicación láser

4. Aplicación del láser en la fusión nuclear controlada

5. Efecto no lineal del láser

El láser es una aplicación de principios ópticos, pero ¿Cómo podemos pasar de la luz ordinaria al láser? Esto requiere primero comprender el principio de emisión atómica. Cuando un átomo cae de un nivel de energía alto a un nivel de energía bajo, emite un fotón, lo que se llama luminiscencia espontánea. Cuando un átomo es golpeado por un fotón de alto nivel de energía, será estimulado para emitir otro fotón idéntico, que se convierte en dos fotones, lo que se denomina emisión estimulada.

Si el proceso de emisión estimulada continúa, se emitirán cada vez más fotones. Mientras controlemos que el número de átomos en niveles de energía altos sea mayor que el número de átomos en niveles de energía bajos, el proceso de emisión estimulada continuará ocurriendo. Este dispositivo que controla la emisión estimulada de átomos se llama "óptico". amplificador."

También sabemos que cuando se emite luz, viaja en todas direcciones a la velocidad de la luz. Para que la luz generada sea recogida y amplificada continuamente para su uso, es necesario utilizar un "*. ** cavidad" El dispositivo utiliza reflectores para limitar la luz generada por el amplificador óptico a un rango específico, de modo que la luz pueda reflejarse hacia adelante y hacia atrás. Dado que los fotones generados por el amplificador óptico son los mismos, viajan en el mismo dirección. Mediante la acción de la cavidad de oscilación, la luz puede viajar en la misma dirección, es decir, solo la luz con la misma dirección que la cavidad de oscilación será amplificada, y la luz en otras direcciones diferentes no será amplificada. es la condición principal para generar luz láser.

***La cavidad también tiene otra función que es la de limitar la frecuencia del láser. Para que la luz oscile en la cavidad de oscilación, debe ajustarse a la relación L = nλ/2 (L es la longitud de la cavidad de oscilación, λ es la longitud de onda y n es un múltiplo fijo), por lo que no todas las frecuencias de La luz puede ser La vibración se genera en la cavidad de vibración, pero solo aquellas que cumplan con esta regla producirán vibración. Sin embargo, la longitud (L) de la cavidad de oscilación puede ser de varios metros, pero la longitud de onda (λ) de la luz se mide en micrones. Hay una diferencia de 1 millón de veces entre las dos, lo que significa que se cumplen las condiciones. El rango de n es bastante grande, no es solo una frecuencia. Poder emitir luz de tantas frecuencias al mismo tiempo nos da las condiciones para construir un láser de pulso.