Solid-state laser: prinsipp for drift, applikasjon

2024 Forfatter: Howard Calhoun | [email protected]. Sist endret: 2023-12-17 10:37

Denne artikkelen viser hva som er kildene til monokromatisk stråling og hvilke fordeler en solid-state laser har fremfor andre typer. Den forteller hvordan genereringen av koherent stråling skjer, hvorfor den pulserende enheten er kraftigere, hvorfor gravering er nødvendig. Den diskuterer også de tre essensielle elementene til en laser og hvordan den fungerer.

Sone theory

Før vi snakker om hvordan en laser (for eksempel i fast tilstand) fungerer, bør noen fysiske modeller vurderes. Alle husker fra skoletimene at elektroner er plassert rundt atomkjernen i bestemte baner, eller energinivåer. Hvis vi ikke har ett atom til rådighet, men mange, det vil si at vi vurderer et hvilket som helst volumetrisk legeme, så oppstår en vanskelighet.

I følge Pauli-prinsippet kan det i en gitt kropp med samme energi bare være ett elektron. Dessuten inneholder selv det minste sandkornet et stort antall atomer. I dette tilfellet har naturen funnet en veldig elegant vei ut - energien til hverelektron skiller seg fra energien til naboen med en veldig liten, nesten umulig mengde. I dette tilfellet blir alle elektroner på samme nivå "komprimert" til ett energibånd. Sonen der elektronene som er lengst fra kjernen befinner seg, kalles valensssonen. Sonen etter den har høyere energi. I den beveger elektroner seg fritt, og det kalles ledningsbåndet.

utslipp og absorpsjon

Enhver laser (faststoff, gass, kjemisk) fungerer etter prinsippene for elektronovergang fra en sone til en annen. Hvis lys faller på kroppen, gir fotonet elektronet nok styrke til å sette det i en høyere energitilstand. Og omvendt: når et elektron går fra ledningsbåndet til valensbåndet, sender det ut ett foton. Hvis stoffet er en halvleder eller dielektrikum, er valens- og ledningsbåndene atskilt med et intervall der det ikke er et enkelt nivå. Følgelig kan ikke elektroner være der. Dette intervallet kalles båndgapet. Hvis fotonet har tilstrekkelig energi, hopper elektronene over dette intervallet.

Generation

Operasjonsprinsippet til en faststofflaser er basert på at det skapes et såk alt inverst nivå i båndgapet til et stoff. Levetiden til et elektron på dette nivået er lengre enn tiden det tilbringer i ledningsbåndet. I løpet av en viss tidsperiode er det derfor elektroner "akkumuleres". Dette kalles invers populasjon. Når forbi et slikt nivå prikketelektroner, et foton med ønsket bølgelengde passerer, forårsaker det samtidig generering av et stort antall lysbølger av samme lengde og fase. Det vil si at elektronene i et snøskred passerer alle samtidig inn i grunntilstanden, og genererer en stråle av monokromatiske fotoner med tilstrekkelig høy effekt. Det skal bemerkes at hovedproblemet til utviklerne av den første laseren var søket etter en slik kombinasjon av stoffer som en omvendt populasjon av et av nivåene ville være mulig for. Den legerte rubinen ble det første arbeidsstoffet.

laserkomposisjon

Solid-state laseren skiller seg ikke fra andre typer når det gjelder hovedkomponentene. Arbeidskroppen, der den omvendte populasjonen av et av nivåene utføres, er opplyst av en lyskilde. Det kalles pumping. Ofte kan dette være en vanlig glødelampe eller et gassutladningsrør. To parallelle ender av arbeidsfluidet (en faststofflaser betyr en krystall, en gasslaser betyr et foreldet medium) danner et system av speil, eller en optisk resonator. Den samler til en stråle bare de fotonene som går parallelt med utløpet. Solid-state lasere pumpes vanligvis med blitslamper.

Typer solid state-lasere

Avhengig av måten laserstrålen går ut på, skilles kontinuerlige og pulserende lasere. Hver av dem finner anvendelse og har sine egne egenskaper. Hovedforskjellen er at pulsede solid-state lasere har høyere effekt. Fordi for hvert skuddfotoner ser ut til å "akkumulere", så er én puls i stand til å levere mer energi enn kontinuerlig generering over en tilsvarende tidsperiode. Jo kortere impulsen varer, desto kraftigere blir hvert "skudd". For øyeblikket er det teknologisk mulig å bygge en femtosekundlaser. En av impulsene varer i omtrent 10-15 sekunder. Denne avhengigheten er forbundet med det faktum at prosessene med tilbakebefolkning beskrevet ovenfor varer veldig, veldig lite. Jo lengre tid det tar å vente før laseren "skyter", jo flere elektroner rekker å forlate det omvendte nivået. Følgelig reduseres konsentrasjonen av fotoner og energien til utgangsstrålen.

Lasergravering

Mønstre på overflaten av metall- og glassting pryder hverdagen til en person. De kan påføres mekanisk, kjemisk eller med laser. Den siste metoden er den mest moderne. Fordelene fremfor andre metoder er som følger. Siden det ikke er noen direkte innvirkning på overflaten som skal behandles, er det nesten umulig å skade en ting i ferd med å påføre et mønster eller en inskripsjon. Laserstrålen brenner ut svært grunne riller: overflaten med en slik gravering forblir jevn, noe som betyr at tingen ikke er skadet og vil vare lenger. Når det gjelder metall, endrer laserstrålen selve strukturen til stoffet, og inskripsjonen vil ikke bli slettet på mange år. Hvis en ting brukes forsiktig, ikke nedsenket i syre og ikke deformert, vil mønsteret på den definitivt bli bevart i flere generasjoner. Det er best å velge en solid-state pulserende laser for gravering av to grunner: solid-state prosesserlettere å kjøre, og den er optimal med tanke på kraft og pris.

Installasjon

Det er spesielle innstillinger for gravering. I tillegg til selve laseren består de av mekaniske føringer som laseren beveger seg langs, og kontrollutstyr (datamaskin). Lasermaskinen brukes i mange grener av menneskelig aktivitet. Ovenfor snakket vi om å dekorere husholdningsartikler. Personlig bestikk, lightere, glass, klokker vil forbli i familien i lang tid og vil minne deg om lykkelige øyeblikk.

Men ikke bare husholdningsvarer, men også industrivarer trenger lasergravering. Store fabrikker, som biler, produserer deler i enorme mengder: hundretusener eller millioner. Hvert slikt element bør merkes - når og hvem som har laget det. Det finnes ingen bedre måte enn lasergravering: tall, produksjonstid, levetid vil forbli i lang tid selv på bevegelige deler, som det er økt risiko for slitasje for. Lasermaskinen i dette tilfellet bør kjennetegnes ved økt kraft, samt sikkerhet. Tross alt, hvis gravering endrer egenskapen til en metalldel selv med en brøkdel av en prosent, kan den reagere annerledes på ytre påvirkninger. Bryt for eksempel på stedet der inskripsjonen er påført. For husholdningsbruk er imidlertid en enklere og billigere installasjon egnet.