Solid state-laser: funktionsprincip, tillämpning

2024 Författare: Howard Calhoun | [email protected]. Senast ändrad: 2023-12-17 10:41

Den här artikeln visar vad som är källorna till monokromatisk strålning och vilka fördelar en solid state-laser har jämfört med andra typer. Den berättar hur genereringen av koherent strålning sker, varför den pulsade enheten är mer kraftfull, varför gravering behövs. Den diskuterar också de tre väsentliga delarna av en laser och hur den fungerar.

Zonteori

Innan vi pratar om hur en laser (till exempel i fast tillstånd) fungerar bör vissa fysiska modeller övervägas. Alla minns från skollektioner att elektroner finns runt atomkärnan i vissa banor, eller energinivåer. Om vi inte har en atom till vårt förfogande, utan många, det vill säga vi betraktar vilken volymetrisk kropp som helst, då uppstår en svårighet.

I enlighet med Pauli-principen kan det bara finnas en elektron i en given kropp med samma energi. Dessutom innehåller även det minsta sandkornet ett stort antal atomer. I det här fallet har naturen hittat en mycket elegant väg ut - energin hos var och enelektron skiljer sig från energin hos den intilliggande med en mycket liten, nästan omöjlig mängd. I detta fall är alla elektroner på samma nivå "komprimerade" till ett energiband. Den zon där elektronerna längst bort från kärnan finns kallas valenszonen. Zonen efter den har en högre energi. I den rör sig elektroner fritt, och det kallas ledningsbandet.

Emission och absorption

Varje laser (fast tillstånd, gas, kemisk) fungerar enligt principerna för elektronövergång från en zon till en annan. Om ljus faller på kroppen, ger fotonen elektronen tillräckligt med styrka för att försätta den i ett högre energitillstånd. Och vice versa: när en elektron passerar från ledningsbandet till valensbandet sänder den ut en foton. Om ämnet är en halvledare eller dielektrikum, separeras valens- och ledningsbanden med ett intervall där det inte finns en enda nivå. Följaktligen kan elektroner inte finnas där. Detta intervall kallas bandgapet. Om fotonen har tillräcklig energi, hoppar elektronerna över detta intervall.

Generation

Funktionsprincipen för en halvledarlaser bygger på det faktum att en så kallad invers nivå skapas i ett ämnes bandgap. Livslängden för en elektron på denna nivå är längre än den tid den tillbringar i ledningsbandet. Således, under en viss tidsperiod, är det på den som elektroner "ackumuleras". Detta kallas invers population. När förbi en sådan nivå prickadeelektroner, en foton med önskad våglängd passerar, orsakar den samtidig generering av ett stort antal ljusvågor av samma längd och fas. Det vill säga, elektronerna i en lavin passerar alla samtidigt till grundtillståndet och genererar en stråle av monokromatiska fotoner med tillräckligt hög effekt. Det bör noteras att huvudproblemet för utvecklarna av den första lasern var sökandet efter en sådan kombination av ämnen för vilka en omvänd population av en av nivåerna skulle vara möjlig. Den legerade rubinen blev det första arbetsämnet.

Laserkomposition

Solid state-lasern skiljer sig inte från andra typer när det gäller dess huvudkomponenter. Arbetskroppen, i vilken den omvända populationen av en av nivåerna utförs, är upplyst av någon ljuskälla. Det kallas att pumpa. Ofta kan detta vara en vanlig glödlampa eller ett gasurladdningsrör. Två parallella ändar av arbetsvätskan (en halvledarlaser betyder en kristall, en gaslaser betyder ett förtärt medium) bildar ett system av speglar eller en optisk resonator. Den samlar bara de fotoner som går parallellt med utloppet till en stråle. Solid-state lasrar pumpas vanligtvis med blixtlampor.

Typer av halvledarlasrar

Beroende på hur laserstrålen går ut urskiljs kontinuerliga och pulsade lasrar. Var och en av dem hittar tillämpning och har sina egna egenskaper. Den största skillnaden är att pulsade halvledarlasrar har en högre effekt. För för varje skottfotoner verkar "ackumuleras", då är en puls kapabel att leverera mer energi än kontinuerlig generering under en liknande tidsperiod. Ju kortare impulsen varar, desto kraftfullare varje "skott". För närvarande är det tekniskt möjligt att bygga en femtosekundlaser. En av dess impulser varar cirka 10-15 sekunder. Detta beroende är kopplat till det faktum att de processer för bakbefolkning som beskrivs ovan varar väldigt, väldigt lite. Ju längre tid det tar att vänta innan lasern "skjuter", desto fler elektroner hinner lämna den omvända nivån. Följaktligen reduceras koncentrationen av fotoner och energin hos den utgående strålen.

Lasergravyr

Mönster på ytan av metall- och glassaker pryder en persons vardag. De kan appliceras mekaniskt, kemiskt eller med laser. Den sista metoden är den mest moderna. Dess fördelar jämfört med andra metoder är följande. Eftersom det inte finns någon direkt påverkan på ytan som ska behandlas, är det nästan omöjligt att skada en sak i processen att applicera ett mönster eller inskription. Laserstrålen bränner ut mycket grunda spår: ytan med en sådan gravyr förblir slät, vilket gör att saken inte skadas och håller längre. När det gäller metall ändrar laserstrålen själva strukturen av ämnet, och inskriptionen kommer inte att raderas på många år. Om en sak används försiktigt, inte nedsänkt i syra och inte deformeras, kommer mönstret på den definitivt att bevaras i flera generationer. Det är bäst att välja en solid-state pulsad laser för gravering av två skäl: solid-state processerlättare att köra, och den är optimal när det gäller kraft och pris.

Installation

Det finns speciella inställningar för gravering. Förutom själva lasern består de av mekaniska styrningar längs vilka lasern rör sig, och styrutrustning (dator). Lasermaskinen används inom många grenar av mänsklig aktivitet. Ovan pratade vi om att dekorera hushållsartiklar. Personliga bestick, tändare, glas, klockor kommer att stanna i familjen länge och påminna dig om lyckliga stunder.

Men inte bara hushållsartiklar utan även industrivaror behöver lasergraveras. Stora fabriker, som bilar, producerar delar i enorma mängder: hundratusentals eller miljoner. Varje sådant element bör markeras - när och vem som skapade det. Det finns inget bättre sätt än lasergravering: siffror, produktionstid, livslängd kommer att finnas kvar under lång tid även på rörliga delar, för vilka det finns en ökad risk för nötning. Lasermaskinen i detta fall bör utmärkas av ökad kraft, såväl som säkerhet. När allt kommer omkring, om gravering ändrar egenskapen hos en metalldel även med en bråkdel av en procent, kan den reagera annorlunda på yttre påverkan. Bryt till exempel på den plats där inskriptionen appliceras. Men för hushållsbruk är en enklare och billigare installation lämplig.