Starea solidă cu laser: principiul funcționării, aplicarea

Acest articol arată care sunt sursele de radiații monocromatice și ce avantaje are laserul în solidificarea altor specii. Aici se spune cum se produce generarea de radiații coerente, de ce dispozitivul pulsator este mai puternic, pentru care este necesar să gravim. De asemenea, sunt luate în considerare trei elemente obligatorii ale laserului și principiul funcționării acestuia.

Teoria zonelor

Înainte de a vorbi despre cum funcționează laserul (stare solidă, de exemplu), ar trebui luate în considerare anumite modele fizice. Din lecțiile de școală, se amintește că electronii sunt situați în jurul nucleului atomic în anumite orbite sau niveluri de energie. Dacă nu avem la dispoziție nici un atom, ci mulți, adică, considerăm orice corp tridimensional, atunci există o singură dificultate.

Potrivit principiul Pauli, Într-un corp dat cu aceeași energie, poate exista doar un electron. În acest caz, chiar și cele mai mici granule de nisip conține un număr imens de atomi. Natura a găsit în acest caz de ieșire foarte grațioasă - energia fiecare energie de electroni diferit de la un adiacent la o cantitate foarte mică, aproape neinteligibil. În acest caz, toți electronii de același nivel sunt "comprimați" într-o zonă energetică. Zona în care electronii care sunt cei mai îndepărtați de nucleu se numesc banda de valență. Zona care urmează are o energie mai mare. În ea, electronii se mișcă liber și se numește banda de conducere.

Emisie și Absorbție

Orice laser (solid-state, gaz, chimic) funcționează pe principiul transferului de electroni de la o zonă la alta. Dacă lumina cade pe corp, fotonul îi dă puterea suficientă pentru a face ca să apară într-o stare de energie mai înaltă. Și invers: când un electron trece de la banda de conducție la cea de valență, emite un singur foton. Dacă substanța este un semiconductor sau dielectric, zonele de valență și conductivitate sunt separate printr-un interval în care nu există nivele. În consecință, electronii nu pot fi acolo. Acest interval este denumit zona interzisă. Dacă un foton are suficientă energie, atunci electronii depășesc brusc acest interval.

generație

Principiul funcționării unui laser solid se bazează pe faptul că în zona interzisă a materiei se creează un așa-numit nivel invers. Durata de viață a unui electron la acest nivel este mai mare decât timpul din banda de conducere. Astfel, într-o anumită perioadă de timp, electronii "se acumulează". Aceasta se numește populație inversă. Când un foton cu lungimea de undă necesară trece printr-un astfel de nivel dotat cu electroni, produce generarea simultană a unui număr mare de unde luminoase de lungime și fază egale. Adică, electronii avalanșei se îndreaptă simultan către starea solului, generând un fascicul de fotoni monocromati de putere suficient de mare. Este demn de remarcat faptul că principala problemă a dezvoltatorilor primului laser a fost căutarea unei combinații de substanțe pentru care o populație inversată a unuia dintre niveluri ar fi posibilă. Prima substanță activă era un rubin dopat.

Compoziția laserului

Laserul solid pentru principalele componente nu diferă de celelalte specii. Corpul de lucru, în care se desfășoară populația inversă a unuia dintre niveluri, este iluminată de o anumită sursă de lumină. Se numește pompare. De multe ori poate fi o lampă incandescentă convențională sau un tub de descărcare de gaz. Două capete paralele ale corpului de lucru (un laser în stare solidă înseamnă un cristal, un mediu de gaz este un mediu rar) formează un sistem de oglinzi sau un rezonator optic. El adună în rază numai acei fotoni care rulează paralel cu priza. Pomparea laserelor de stare solidă are loc, de obicei, cu ajutorul lămpilor cu impulsuri.

Tipuri de lasere cu stare solidă

În funcție de metoda de ieșire a fasciculului laser, se disting laserele continue și cu impulsuri. Fiecare dintre ele găsește o aplicație și are propriile particularități. Diferența principală este că laserele cu impulsuri solide au o putere mai mare. Deoarece pentru fiecare împușcare fotonul pare a fi "săpat", atunci un impuls este capabil să dea mai multă energie decât generarea continuă pe o perioadă similară de timp. Cu cât durează mai mult pulsul, cu atât este mai puternic fiecare "împușcătură". În prezent, este posibil să se construiască din punct de vedere tehnologic femtosecond laser. Un impuls durează aproximativ 10^-15 secunde. Această dependență este legată de faptul că procesele de populație inversă descrise mai sus durează foarte, foarte puțin. Cu cat este mai lung sa asteptati inainte ca laserul sa "impusca", cu atat mai multi electroni vor avea timp sa paraseasca nivelul invers. În consecință, concentrația de fotoni și energia fasciculului de ieșire scad.

Gravura cu laser

Modelele de pe suprafața obiectelor din metal și sticlă împodobesc viața de zi cu zi a unei persoane. Acestea pot fi aplicate mecanic, chimic sau prin laser. Ultimul mod este cel mai modern. Avantajele sale față de alte metode sunt după cum urmează. Deoarece nu există un impact direct asupra suprafeței tratate, este aproape imposibil să se deterioreze un lucru în procesul de aplicare a unui model sau a unei inscripții. Fază laser canelurile foarte puțin adânci ard: suprafața cu astfel de gravură rămâne netedă, ceea ce înseamnă că lucrul nu se deteriorează și va dura mai mult. În cazul metalului, fasciculul laser modifică structura substanței în sine, iar inscripția nu va fi șters de mai mulți ani. Dacă folosiți un lucru cu grijă, nu-l scufundați în acid și nu vă deformați, apoi pentru mai multe generații modelul pe care îl va fi păstrat exact. Gravura laser este cel mai bine pentru a alege un puls solid-state din două motive: procesele într-un solid sunt mai ușor de controlat, și este optim în ceea ce privește raportul putere-preț.

instalare

Pentru gravare există setări speciale. În plus față de laserul în sine, ele constau din ghiduri mecanice, prin care se mișcă laserul, și echipamentul de monitorizare (computer). Mașina cu laser este folosită în multe ramuri ale activității umane. Mai sus am vorbit despre decorarea articolelor de uz casnic. Tacâmuri înregistrat, brichete, pahare, ceasuri pentru o lungă perioadă de timp va rămâne în familie și va fi amintit de momentele fericite.

Cu toate acestea, nu numai produsele de uz casnic, dar și industriale au nevoie de gravură laser. Întreprinderile mari, de exemplu automobilele, produc componente în număr mare: sute de mii sau milioane. Fiecare astfel de element trebuie să fie etichetat - când și cine la creat. Cea mai bună metodă decât gravura laser nu poate fi găsită: numărul, timpul de eliberare, durata de viață va rămâne o lungă perioadă de timp chiar și pe părțile în mișcare, pentru care riscul de abraziune crește. Mașina laser în acest caz ar trebui să fie caracterizată de o putere sporită, precum și de siguranță. La urma urmei, dacă gravarea, cel puțin o fracțiune din procent, schimbă proprietatea unei părți metalice, ea poate reacționa diferit la un efect extern. De exemplu, rupeți la locul inscripției. Cu toate acestea, o instalare mai simplă și mai ieftină este potrivită pentru uz casnic.