Laserová tuhá látka: princíp činnosti, aplikácia

Tento článok ukazuje, aké sú zdrojemonochromatické žiarenie a aké výhody má laser v pevnom stave pred inými druhmi. Tu je povedané, ako vzniká koherentné žiarenie, prečo je pulzné zariadenie silnejšie, pre ktoré je potrebné gravírovať. Tiež sú tu uvedené tri povinné prvky laseru a princíp jeho fungovania.

Teória zón

Pred tým, ako hovoríte o tom, ako laser funguje(napríklad v pevnom stave), mali by sa zvážiť niektoré fyzikálne modely. Zo školských hodín si človek pamätá, že elektróny sa nachádzajú v okolí atómového jadra v určitých dráhach alebo na úrovni energie. Ak máme k dispozícii nie jeden atóm, ale mnoho, to je, považujeme za každé trojrozmerné telo, potom je tu jedna ťažkosť.

Podľa princípu Pauliho, v tomto tele s jedným aRovnaká energia môže byť len jeden elektrón. V tomto prípade dokonca aj najmenšie zrno piesku obsahuje obrovské množstvo atómov. Príroda v tomto prípade našla veľmi elegantnú cestu von - energia každého elektrónu sa líši od energie susedného elektrónu veľmi malou, takmer nepopierateľnou hodnotou. V tomto prípade sú všetky elektróny rovnakej úrovne "stlačené" do jednej energetickej zóny. Zóna, v ktorej sú elektróny najvzdialenejšie od jadra, sa nazývajú valenčné pásmo. Zóna, ktorá nasleduje, má vyššiu energiu. V tom sa elektróny voľne pohybujú a nazývajú sa vedením.

Emisie a absorpcia

Každý laser (polovodičový, plynový, chemický)pracuje na princípoch prechodu elektrónu z jednej zóny do druhej. Ak svetlo dopadá na telo, fotón dodá elektrónu dostatočnú silu, aby sa objavil vo vyššom energetickom stave. A naopak: keď elektrón prechádza z vodivého pásma do valencie, vydáva jeden fotón. Ak je látka polovodičová alebo dielektrická, zóny valencie a vodivosti sú oddelené intervalom, v ktorom nie sú žiadne úrovne. Elektróny preto nemôžu byť tam. Tento interval sa nazýva zakázaná zóna. Ak má fotón dostatok energie, potom elektróny prekonajú tento interval náhle.

generácie

Princíp fungovania pevného stavu laseru je založený naSkutočnosť, že v zakázanej zóne hmoty vzniká takzvaná inverzná úroveň. Životnosť elektrónu na tejto úrovni je vyššia ako jeho čas v pásme vodivosti. Takže v určitom časovom období je na ňom, že sa elektróny "hromadia". Toto sa nazýva inverzná populácia. Keď fotón požadovanej vlnovej dĺžky prechádza takou úrovňou dotovanou elektrónmi, spôsobuje súčasné generovanie veľkého množstva svetelných vĺn rovnakej dĺžky a fázy. To znamená, že elektróny lavíny súčasne idú do základného stavu a vytvárajú lúč monochromatických fotónov s dostatočne vysokou silou. Stojí za zmienku, že hlavným problémom vývojárov prvého laseru bolo hľadanie kombinácie látok, pre ktoré by bola možná invertovaná populácia jednej z úrovní. Prvou pracovnou látkou bola dopovaný rubín.

Zloženie lasera

Solidný laser pre hlavné komponenty nie jesa líši od ostatných druhov. Pracovný orgán, v ktorom sa uskutočňuje inverzná populácia jednej z úrovní, je osvetlený niektorým zdrojom svetla. Nazýva sa to čerpanie. Často to môže byť bežná žiarovka alebo plynová výbojka. Dva paralelné konce pracovného tela (polovodičový laser znamená kryštál, plynové médium je riedke médium) tvoria systém zrkadiel alebo optický rezonátor. Zhromažďuje do lúča iba tie fotóny, ktoré prebiehajú rovnobežne s vývodom. Čerpanie tuhých laserov sa zvyčajne vyskytuje pomocou impulzných svetiel.

Typy laserov v pevnom stave

V závislosti od spôsobu výstupu laserového lúčarozlišovať medzi kontinuálnymi a pulznými lasery. Každý z nich nájde uplatnenie a má svoje vlastné zvláštnosti. Hlavným rozdielom je, že impulzné lasery v pevnom stave majú vyšší výkon. Pretože pri každom výstrele sa fotóny zdajú byť "kopaním", potom jeden impulz je schopný poskytnúť viac energie ako nepretržitá generácia počas podobného časového obdobia. Čím menej trvá impulz, tým silnejší je každý "výstrel". V súčasnosti je technologicky možné vybudovať femtosekundový laser. Jeden impulz trvá asi 10^-15 sekúnd. Táto závislosť súvisí so skutočnosťou, že procesy opačnej populácie popísané vyššie sú veľmi, veľmi málo. Čím dlhšie trvá, než čaká, kým laser "vystrelí", tým viac elektrónov bude mať čas opustiť inverznú úroveň. Preto sa koncentrácia fotónov a energia výstupného lúča znižujú.

Laserové gravírovanie

Vzory na povrchu kovu a sklaveci zdobia každodenný život človeka. Môžu sa aplikovať mechanicky, chemicky alebo laserom. Posledná cesta je najnovšia. Jeho výhody oproti iným metódam sú nasledovné. Keďže neexistuje žiadny priamy vplyv na ošetrovaný povrch, je takmer nemožné poškodiť vec v procese aplikácie vzoru alebo nápisu. Laserový lúč horí veľmi plytké drážky: povrch s takou rytinou zostáva hladký, čo znamená, že vec sa nepoškodí a bude trvať dlhšie. V prípade kovu mení laserový lúč štruktúru samotnej látky a nápis nebude vymazaný mnoho rokov. Ak opatrne použijete vec, neponárajte ho do kyseliny a nedeformujte sa, potom sa na niekoľko generácií bude vzor na tom presne zachovať. Gravírovanie laserom je najlepšie vybrať pulz v pevnom stave z dvoch dôvodov: je ľahšie riadiť procesy v pevnom tele a je optimálny z hľadiska pomeru výkon k cene.

inštalácia

Na gravírovanie sú špeciálne nastavenia. Okrem samotného lasera pozostávajú z mechanických vodidiel, ktorými sa laser pohybuje, a monitorovacieho zariadenia (počítača). Laserový stroj sa používa v mnohých odvetviach ľudskej činnosti. Hore sme hovorili o zdobení domácnosti. Nominálne príbory, zapaľovače, poháre, hodinky zostanú v rodine už dlhú dobu a pripomínajú vám šťastné chvíle.

Nielen domáce, ale aj priemyselnétovar potrebuje laserové gravírovanie. Veľké továrne, napríklad automobilový priemysel, vyrábajú diely v obrovskom množstve: stovky tisíc alebo milióny. Každý takýto prvok musí byť označený - kedy a kto ho vytvoril. Najlepšie ako laserové gravírovanie nie je možné nájsť: čísla, čas uvoľnenia, životnosť zostane dlhú dobu aj na pohyblivých častiach, pri ktorých sa zvyšuje riziko oderu. Laserový prístroj by mal byť v tomto prípade charakterizovaný zvýšeným výkonom a bezpečnosťou. Koniec koncov, ak rytie, aspoň zlomok percent, mení vlastnosť kovovej časti, môže reagovať inak na vonkajší efekt. Napríklad, zlomte na mieste nápisu. Jednoduchšia a lacnejšia inštalácia je však vhodná pre domáce použitie.