Лазерно твърдо състояние: принцип на работа, приложение

Тази статия показва какви са източниците на монохромно излъчване и какви предимства има лазерът при втвърдяване преди други видове. Тук се разказва как възниква генерирането на кохерентна радиация, защо пулсовото устройство е по-мощно, за което е необходимо да се изреже. Също така тук са разгледани три задължителни елемента на лазера и принципът на неговото функциониране.

Теория на зоните

Преди да говорите за това как работи лазерът (твърдо състояние, например), трябва да се имат предвид някои физически модели. От уроците на училището човек си спомня, че електроните са разположени около атомното ядро ​​в определени орбити или енергийни нива. Ако имаме на разположение не един атом, а много, т.е. ние разглеждаме всяко триизмерно тяло, тогава има една трудност.

Според принципът на Паули, В дадено тяло със същата енергия може да има само един електрон. В този случай дори най-малкото зърно от пясък съдържа огромно количество атоми. Природата в този случай е намерила много елегантен изход - енергията на всеки елемент се различава от енергията на съседния електронен с много малка, почти неразличима стойност. В този случай всички електрони от същото ниво се "компресират" в една енергийна зона. Зоната, в която електроните, които са най-отдалечени от ядрото, се нарича валентна лента. Следващата зона има по-висока енергия. В него електроните се движат свободно и се наричат ​​проводяща лента.

Емисии и абсорбция

Всеки лазер (твърдо състояние, газ, химикал) работи на принципите на предаване на електрони от една зона в друга. Ако светлината падне върху тялото, фотонът дава достатъчно сила на електрона, за да се появи в по-високо енергийно състояние. И обратното: когато един електрон преминава от проводниковата лента към една валентна, тя излъчва един фотон. Ако веществото е полупроводникова или диелектрична, зоните на валентност и проводимост са разделени от интервал, в който няма нива. Съответно, електроните не могат да бъдат там. Този интервал се нарича забранена зона. Ако фотон има достатъчно енергия, тогава електроните преодоляват този интервал рязко.

поколение

Принципът на работа на лазера в твърдо състояние се основава на факта, че в забранената зона на материята се създава така нареченото обратно ниво. Животът на електрона на това ниво е по-висок от времето му в проводната лента. Така в определен период от време електроните се "натрупват". Това се нарича обратно население. Когато даден фотон с необходимата дължина на вълната преминава от такова ниво, накъсано с електрони, то предизвиква едновременно генериране на голям брой светлинни вълни с еднаква дължина и фаза. Тоест, електроните на лавината съвпадат едновременно със земята, генерирайки лъч от монохромни фотони с достатъчно голяма мощност. Струва си да се отбележи, че основният проблем на разработчиците на първия лазер е търсенето на комбинация от вещества, за които би било възможно обърната популация на едно от нивата. Първата работеща субстанция беше рубинът с допинг.

Състав на лазера

Лазерът в твърдо състояние за основните компоненти не се различава от другите видове. Работното тяло, в което се извършва обратната популация на едно от нивата, се осветява от някакъв светлинен източник. Нарича се изпомпване. Често може да бъде конвенционална лампа с нажежаема жичка или тръба за газоразрядване. Два паралелни края на работното тяло (лазерът в твърдо състояние означава кристал, газовата среда е рядка среда) образуват система от огледала или оптичен резонатор. Той събира в лъча само онези фотони, които се движат успоредно на изхода. Изпомпването на лазери в твърдо състояние обикновено се извършва с помощта на импулсни лампи.

Видове лазери в твърдо състояние

В зависимост от метода на излъчване на лазерния лъч се различават непрекъснати и импулсни лазери. Всеки от тях намира приложение и има своите особености. Основната разлика е, че импулсните лазери в твърдо състояние имат по-голяма мощност. Тъй като за всяко изстрелване фотоните изглежда "копаят", тогава един импулс може да даде повече енергия, отколкото непрекъснатото поколение за подобен период от време. Колкото по-малко трае импулсът, толкова по-силен е всеки "изстрел". В момента технологично е възможно да се изгради femtosecond лазер. Един импулс трае около 10^-15 секунди. Тази зависимост е свързана с факта, че процесите на обратната популация, описани по-горе, са много, много малко. Колкото е по-дълго да изчака лазерното "изстрелване", толкова повече електрони ще имат време да напуснат обратното ниво. Съответно, концентрацията на фотоните и енергията на изходния лъч намаляват.

Лазерно гравиране

Моделите на повърхността на метални и стъклени предмети украсяват ежедневието на един човек. Те могат да се прилагат механично, химически или чрез лазер. Последният начин е най-модерният. Неговите предимства пред други методи са както следва. Тъй като няма пряко въздействие върху обработваната повърхност, почти е невъзможно да се повреди нещо в процеса на нанасяне на модел или надпис. Лазерни лъчи много горни канали изгарят: повърхността с такова гравиране остава гладка, което означава, че нещата не се повредят и ще продължат по-дълго. В случай на метал, лазерният лъч променя структурата на самата субстанция, а надписът няма да бъде изтрит в продължение на много години. Ако използвате нещо внимателно, не го потапяйте в киселина и не се деформирайте, а след това за няколко поколения моделът върху него ще бъде точно запазен. Гравиращият лазер е най-добре да избере пулс в твърдо състояние по две причини: процесите в твърдо състояние са по-лесни за управление и са оптимални по отношение на съотношението мощност към цена.

монтаж

За гравиране има специални настройки. В допълнение към самия лазер, те се състоят от механични водачи, през които се движи лазерът, и от оборудването за наблюдение (компютър). Лазерната машина се използва в много отрасли на човешката дейност. По-горе говорихме за декорирането на битови предмети. Новите прибори за хранене, запалки, чаши, часовници ще останат в семейството дълго време и ще ви напомнят за щастливи моменти.

Независимо от това, не само домашните, но и промишлени продукти се нуждаят от лазерно гравиране. Големите заводи, например автомобилостроенето, произвеждат части в огромен брой: стотици хиляди или милиони. Всеки такъв елемент трябва да бъде обозначен - кога и кой го е създал. Най-добрият начин от лазерното гравиране не може да бъде намерен: номера, времето за освобождаване, продължителността на експлоатацията ще остане дълго време дори на движещи се части, за които се увеличава рискът от абразия. Лазерната машина в този случай трябва да се характеризира с повишена мощност, както и с безопасността. В края на краищата, ако гравирането, поне част от процента, променя свойството на метална част, може да реагира различно на външен ефект. Например, пробийте на мястото на надписа. Обаче по-опростена и по-евтина инсталация е подходяща за домашна употреба.