Solid-state laser: princip rada, primjena

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Zadnja promjena: 2023-12-17 10:29

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

Teorija zona

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

Prema Paulijevom principu, u danom tijelu s istom energijom može biti samo jedan elektron. Štoviše, čak i najmanje zrno pijeska sadrži ogroman broj atoma. U ovom slučaju, priroda je pronašla vrlo elegantan izlaz - energija svakogaelektron se razlikuje od energije susjednog za vrlo malu, gotovo nerazlučivu količinu. U tom su slučaju svi elektroni iste razine "komprimirani" u jedan energetski pojas. Zona u kojoj se nalaze elektroni najudaljeniji od jezgre naziva se valentna zona. Zona koja slijedi ima veću energiju. U njemu se elektroni kreću slobodno, a to se naziva vodljivi pojas.

Emisija i apsorpcija

Bilo koji laser (čvrsto stanje, plin, kemijski) radi na principima prijelaza 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 prijeđe iz vodljivog pojasa u valentni pojas, emitira jedan foton. Ako je tvar poluvodič ili dielektrik, valentni i vodljivi pojasi su razdvojeni intervalom u kojem ne postoji niti jedna razina. Prema tome, elektroni ne mogu biti tamo. Taj se interval naziva pojasnim razmakom. Ako foton ima dovoljno energije, elektroni preskaču ovaj interval.

generacija

Princip rada lasera u čvrstom stanju temelji se na činjenici da se u pojasu pojasa tvari stvara takozvana inverzna razina. Životni vijek elektrona na ovoj razini dulji je od vremena provedenog u vodljivom pojasu. Dakle, u određenom vremenskom razdoblju na njemu se "akumuliraju" elektroni. To se zove inverzna populacija. Kad prođe takva razina točkastaelektrona, foton željene valne duljine prođe, uzrokuje istovremeno stvaranje velikog broja svjetlosnih valova iste duljine i faze. To jest, svi elektroni u lavini istovremeno prelaze u osnovno stanje, stvarajući snop monokromatskih fotona dovoljno velike snage. Valja napomenuti da je glavni problem razvijača prvog lasera bila potraga za takvom kombinacijom tvari za koju bi bila moguća inverzna populacija jedne od razina. Legirani rubin postao je prva radna tvar.

Laserska kompozicija

Super laser se ne razlikuje od ostalih tipova u pogledu svojih glavnih komponenti. Radno tijelo, u kojem se provodi inverzna populacija jedne od razina, 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, plinski laser znači razrijeđeni medij) tvore sustav zrcala, odnosno optički rezonator. Skuplja u snop samo one fotone koji idu paralelno s izlazom. Solid-state laseri se obično pumpaju bljeskalicama.

Vrste solid-state lasera

Ovisno o načinu na koji laserska zraka 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 metakČini se da se fotoni "akumuliraju", tada je jedan impuls sposoban isporučiti više energije od kontinuirane generacije tijekom sličnog vremenskog razdoblja. 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 ovisnost povezana je s činjenicom da gore opisani procesi povratne populacije traju vrlo, vrlo malo. Što je duže potrebno čekati prije nego što laser "puca", to više elektrona ima vremena da napusti inverznu razinu. Sukladno tome, smanjuje se koncentracija fotona i energija izlaznog snopa.

Lasersko graviranje

Uzorci na površini metalnih i staklenih stvari krase svakodnevni život osobe. Mogu se nanositi mehanički, kemijski ili laserom. Posljednja metoda je najmodernija. Njegove prednosti u odnosu na druge metode su sljedeće. Budući da nema izravnog utjecaja na površinu koja se tretira, gotovo je nemoguće oštetiti stvar u procesu nanošenja uzorka ili natpisa. Laserska zraka izgara vrlo plitke utore: površina s takvom gravurom ostaje glatka, što znači da stvar nije oštećena i da će trajati dulje. U slučaju metala, laserska zraka 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 (računala). Laserski stroj se koristi u mnogim granama ljudske djelatnosti. Iznad smo razgovarali o ukrašavanju kućanskih predmeta. Osobni pribor za jelo, upaljači, čaše, satovi ostat će dugo u obitelji i podsjećat će vas na sretne trenutke.

Međutim, ne samo za kućanstvo, već i za industrijsku robu potrebno je lasersko graviranje. Velike tvornice, poput automobila, proizvode dijelove u ogromnim količinama: stotine tisuća ili milijune. Svaki takav element treba označiti – kada i tko 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. Laserski stroj u ovom slučaju trebao bi se razlikovati povećanom snagom, kao i sigurnošću. Uostalom, ako graviranje promijeni svojstvo metalnog dijela čak i za djelić postotka, on može drugačije reagirati na vanjske utjecaje. Na primjer, razbiti na mjestu gdje je natpis primijenjen. Međutim, za kućnu upotrebu prikladna je jednostavnija i jeftinija instalacija.