Solid-state laser: princip rada, primjena

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Zadnja izmjena: 2023-12-17 10:20

Ovaj članak pokazuje koji su izvori monokromatskog zračenja i koje prednosti poluprovodnički laser ima u odnosu na druge tipove. Govori kako dolazi do stvaranja koherentnog zračenja, zašto je impulsni uređaj snažniji, zašto je potrebno graviranje. Takođe govori o tri osnovna elementa lasera i kako on radi.

Teorija zona

Prije nego što govorimo o tome kako laser (solid-state, na primjer) radi, treba razmotriti neke fizičke modele. Svi se sjećaju iz školskih lekcija da se elektroni nalaze oko atomskog jezgra u određenim orbitama, odnosno energetskim nivoima. Ako imamo na raspolaganju ne jedan atom, već mnogo, to jest, razmatramo bilo koje volumetrijsko tijelo, tada nastaje jedna poteškoća.

Prema Paulijevom principu, u datom telu sa istom energijom može biti samo jedan elektron. Štaviše, čak i najmanje zrno pijeska sadrži ogroman broj atoma. U ovom slučaju, priroda je našla vrlo elegantan izlaz - energija svakogaelektron se razlikuje od energije susjednog za vrlo malu, gotovo nerazlučivu količinu. U ovom slučaju, svi elektroni istog nivoa su "komprimirani" u jedan energetski pojas. Zona u kojoj se nalaze najudaljeniji elektroni od jezgra naziva se valentna zona. Zona koja slijedi ima veću energiju. U njemu se elektroni kreću slobodno, a to se zove provodni pojas.

Emisija i apsorpcija

Bilo koji laser (čvrsto stanje, gas, hemijski) radi na principima prelaska elektrona iz jedne zone u drugu. Ako svjetlost padne na tijelo, tada foton daje elektronu dovoljno snage da ga stavi u stanje više energije. I obrnuto: kada elektron pređe iz pojasa provodljivosti u valentni pojas, emituje jedan foton. Ako je supstanca poluprovodnik ili dielektrik, valentna i vodljiva zona su razdvojene intervalom u kojem ne postoji niti jedan nivo. Shodno tome, elektroni ne mogu biti tamo. Ovaj interval se zove pojas pojasa. Ako foton ima dovoljno energije, elektroni preskaču ovaj interval.

Generacija

Princip rada solid-state lasera zasniva se na činjenici da se u pojasu pojasa supstance stvara takozvani inverzni nivo. Životni vijek elektrona na ovom nivou je duži od vremena koje provede u provodnom pojasu. Dakle, u određenom vremenskom periodu, na njemu se „akumuliraju“elektroni. Ovo se zove inverzna populacija. Kada prođe takav nivo tačkastaelektrona, foton željene talasne dužine prođe, izaziva istovremeno stvaranje velikog broja svetlosnih talasa iste dužine i faze. To jest, svi elektroni u lavini istovremeno prelaze u osnovno stanje, stvarajući snop monohromatskih fotona dovoljno velike snage. Treba napomenuti da je glavni problem programera prvog lasera bila potraga za takvom kombinacijom supstanci za koju bi bila moguća inverzna populacija jednog od nivoa. Legirani rubin je postao prva radna supstanca.

Laserska kompozicija

Super laser se ne razlikuje od ostalih tipova u pogledu svojih glavnih komponenti. Radno tijelo, u kojem se vrši inverzna populacija jednog od nivoa, osvjetljava se nekim izvorom svjetlosti. To se zove pumpanje. Često to može biti obična žarulja sa žarnom niti ili cijev za pražnjenje plina. Dva paralelna kraja radnog fluida (čvrsti laser znači kristal, gasni laser znači razređeni medijum) formiraju sistem ogledala ili optički rezonator. Sakuplja u snop samo one fotone koji idu paralelno sa izlazom. Solid-state laseri se obično pumpaju blic lampama.

Vrste solid-state lasera

U zavisnosti od načina na koji laserski snop izlazi, razlikuju se kontinuirani i impulsni laseri. Svaki od njih pronalazi primjenu i ima svoje karakteristike. Glavna razlika je u tome što impulsni laseri u čvrstom stanju imaju veću snagu. Jer za svaki pogodakČini se da se fotoni “akumuliraju”, tada je jedan impuls sposoban da isporuči više energije od kontinuirane proizvodnje u sličnom vremenskom periodu. Što kraće traje impuls, to je svaki „pucanj“snažniji. Trenutno je tehnološki moguće napraviti femtosekundni laser. Jedan od njegovih impulsa traje oko 10-15 sekundi. Ova zavisnost je povezana sa činjenicom da gore opisani procesi povratne populacije traju vrlo, vrlo malo. Što je duže potrebno čekati prije nego što laser "puca", više elektrona ima vremena da napusti inverzni nivo. Shodno tome, koncentracija fotona i energija izlaznog snopa su smanjeni.

Lasersko graviranje

Uzorci na površini metalnih i staklenih stvari krase svakodnevni život čovjeka. Mogu se nanositi mehanički, hemijski ili laserom. Posljednja metoda je najmodernija. Njegove prednosti u odnosu na druge metode su sljedeće. Budući da nema direktnog utjecaja na površinu koja se tretira, gotovo je nemoguće oštetiti stvar u procesu nanošenja uzorka ili natpisa. Laserska zraka izgara vrlo plitke žljebove: površina s takvom gravurom ostaje glatka, što znači da stvar nije oštećena i da će trajati duže. U slučaju metala, laserski snop mijenja samu strukturu tvari, a natpis se neće izbrisati dugi niz godina. Ako se stvar pažljivo koristi, nije uronjena u kiselinu i ne deformirana, tada će se uzorak na njoj sigurno sačuvati nekoliko generacija. Za graviranje je najbolje odabrati impulsni laser u čvrstom stanju iz dva razloga: procesi u čvrstom stanjulakši za vožnju, a optimalan je u smislu snage i cijene.

Instalacija

Postoje posebne postavke za graviranje. Osim samog lasera, sastoje se od mehaničkih vodilica po kojima se laser kreće, te upravljačke opreme (računara). Laserska mašina se koristi u mnogim granama ljudske aktivnosti. Iznad smo pričali o ukrašavanju kućnih predmeta. Lični pribor za jelo, upaljači, čaše, satovi ostat će dugo u porodici i podsjećati na srećne trenutke.

Međutim, lasersko graviranje je potrebno ne samo za kućnu, već i za industrijsku robu. Velike fabrike, kao što su automobili, proizvode delove u ogromnim količinama: stotine hiljada ili milione. Svaki takav element treba označiti – kada i ko ga je stvorio. Ne postoji bolji način od laserskog graviranja: brojevi, vrijeme proizvodnje, vijek trajanja ostat će dugo čak i na pokretnim dijelovima, za koje postoji povećan rizik od abrazije. Lasersku mašinu u ovom slučaju treba razlikovati povećana snaga, kao i sigurnost. Uostalom, ako graviranje promijeni svojstva metalnog dijela čak i za djelić postotka, on može drugačije reagirati na vanjske utjecaje. Na primjer, puknite na mjestu gdje je natpis postavljen. Međutim, za kućnu upotrebu prikladna je jednostavnija i jeftinija instalacija.