Lasersko čvrsto stanje: princip rada, primjena

Ovaj članak pokazuje koji su izvori monokromatskog zračenja i koje su prednosti laseri u očvršćavanju prije drugih vrsta. Ovdje se kaže kako nastaje generiranje koherentnog zračenja, zašto je pulsni uređaj jači, za koji je potrebno gravirati. Također, ovdje se razmatraju tri obvezna elementa lasera i načelo njegovog djelovanja.

Teorija zone

Prije nego što govorite o tome kako laser radi (na primjer, čvrsto stanje), treba razmotriti neke fizičke modele. Od školskih sati, sjećamo se da su se elektroni nalazili oko atomske jezgre u određenim orbitama ili razinama energije. Ako nemamo na raspolaganju ni jedan atom, već mnogi, to jest, smatramo svako trodimenzionalno tijelo, tada postoji poteškoća.

Prema načelo Pauli, U određenom tijelu iste energije, može postojati samo jedan elektron. U ovom slučaju čak i najmanji zrnati pijesak sadrži ogroman broj atoma. Priroda u ovom slučaju pronašla je vrlo elegantan izlaz - energija svakog elektrona razlikuje se od energije susjednog elektrona vrlo malom, gotovo neodrživom vrijednošću. U ovom slučaju, svi elektroni iste razine "komprimirani" u jednu energetsku zonu. Zonom u kojoj su elektroni koji su najudaljeniji od jezgre nazivaju valentni pojas. Zona koja slijedi ima veću energiju. U njemu, elektroni se kreću slobodno, i to se zove provodni pojas.

Emisija i apsorpcija

Bilo koji laser (čvrsto stanje, plin, kemijski) radi na načelima prijenosa elektrona iz jedne zone u drugu. Ako svjetlost pada na tijelo, foton daje dovoljno snage elektrona da bi se pojavio u višem energetskom stanju. I obrnuto: kada elektron prelazi iz provodne trake do valencije, emitira jedan foton. Ako je tvar poluvodički ili dielektrična, zona valencije i provodljivosti odvaja se intervalom u kojem nema nivoa. Prema tome, elektroni ne mogu biti tamo. Taj interval se zove zabranjena zona. Ako foton ima dovoljnu energiju, tada elektroni naglo prevladavaju ovaj interval.

generacija

Načelo rada lasera čvrstog stanja temelji se na činjenici da se u zabranjenoj zoni materije stvara tzv. Inverzna razina. Životni vijek jednog elektrona na ovoj razini je viši od njegovog vremena u provodnom pojasu. Dakle, u određenom vremenskom razdoblju na njemu se elektroni "akumuliraju". To se naziva inverzno stanovništvo. Kada foton potrebne valne duljine prolazi tako takvom razinom s elektronima, to uzrokuje simultano stvaranje velikog broja svjetlosnih valova jednake duljine i faze. To jest, elektroni lavina istodobno idu u zemlju, stvarajući snop monokromatskih fotona dovoljno visoke snage. Važno je napomenuti da je glavni problem razvijen od strane prvog lasera bio traženje kombinacije tvari za koje bi bilo moguće preokrenuti stanovništvo jedne od razina. Prva radna tvar bila je dopiran rubin.

Sastav lasera

Laserski oblik čvrstog stanja za glavne komponente ne razlikuje se od ostalih vrsta. Radno tijelo, u kojem se vrši inverzna populacija jedne od razina, osvijetljena je nekim izvorom svjetlosti. Zove se crpljenje. Često to može biti konvencionalna žarulja sa žarnom niti ili cijev za ispuštanje plina. Dva paralelna kraja radnog tijela (solid-state laser znači kristal, plinski medij je rijedak medij) čine sustav zrcala ili optički rezonator. Prikuplja u zraku samo one fotone koji idu paralelno s utičnicom. Pumpa lasera čvrstog stanja obično se događa uz pomoć pulsirajućih svjetiljki.

Vrste lasera čvrstog stanja

Ovisno o načinu izlaza laserske zrake, razlikuju se kontinuirani i pulsirajući laseri. Svaki od njih nalazi primjenu i ima svoje osobitosti. Glavna razlika je u tome što pulsirajući laseri čvrstog stanja imaju veću snagu. Budući da za svaki snimak fotoni izgledaju kao "kopanje", onda je jedan puls sposoban dati više energije nego kontinuirana generacija tijekom sličnog vremenskog razdoblja. Što manje puls traje, to je jači svaki "metak". U ovom trenutku tehnološki je moguće izgraditi femtosekundni laser. Jedan impuls traje oko 10 godina^-15 sekundi. Ta se ovisnost odnosi na činjenicu da gore opisani procesi obrnute populacije traju jako, vrlo malo. Što je duže potrebno pričekati prije nego što laserski "izbojci", to će više elektrona imati vremena da napuste inverznu razinu. U skladu s tim, koncentracija fotona i energije izlazne snage smanjuju se.

Lasersko graviranje

Obrasci na površini metala i staklenih predmeta ukrašavaju svakodnevni život osobe. Mogu se nanositi mehanički, kemijski ili laserski. Posljednji put je najsuvremeniji. Njegove prednosti nad drugim metodama su kako slijedi. Budući da nema izravnog utjecaja na površinu koja se liječi, gotovo je nemoguće oštetiti stvar u postupku primjene uzorka ili natpisa. Laserska zraka vrlo plitke žljebove opekline: površina s takvim graviranjem ostaje glatka, što znači da se stvar ne ošteti i trajat će dulje. U slučaju metala, laserska zraka mijenja strukturu same tvari, a natpis neće biti izbrisan dugi niz godina. Ako pažljivo koristite stvar, nemojte ga uroniti u kiselinu i ne deformirati, a za nekoliko generacija uzorak na njemu će biti točno sačuvana. Laserski graviranje najbolje je odabrati impuls od čvrstog stanja iz dva razloga: procesi u čvrstom stanju lakše su kontrolirani, a optimalni su u pogledu omjera snage i cijene.

instalacija

Za graviranje postoje posebne postavke. Osim samog lasera, oni se sastoje od mehaničkih vodilica, preko kojih se kreće laserski uređaj i nadgledne opreme (računala). Laserski stroj se koristi u mnogim granama ljudske aktivnosti. Iznad smo razgovarali o ukrašavanju kućanskih predmeta. Nominalni pribor za jelo, upaljače, naočale, satovi će ostati u obitelji dugo vremena i podsjetit će vas na sretne trenutke.

Međutim, ne samo kućanski nego i industrijski proizvodi trebaju lasersko graviranje. Velike tvornice, primjerice automobilske, proizvode ogromne dijelove: stotine tisuća ili milijuni. Svaki takav element mora biti označen - kada i tko ga je stvorio. Najbolji način od laserskog graviranja ne može se pronaći: brojevi, vrijeme oslobađanja, vijek trajanja ostat će dugo i kod pokretnih dijelova, zbog čega se povećava opasnost od abrazije. Laserski stroj u ovom slučaju treba biti obilježen povećanom snagom, kao i sigurnošću. Uostalom, ako graviranje, barem djelić postotaka, mijenja svojstvo metalnog dijela, može reagirati drugačije na vanjski efekt. Na primjer, prekidajte mjesto natpisa. Međutim, jednostavnija i jeftinija instalacija prikladna je za domaću uporabu.