Твърдотелен лазер: принцип на действие, приложение

2024 Автор: Howard Calhoun | [email protected]. Последно модифициран: 2023-12-17 10:19

Тази статия показва какви са източниците на монохроматично лъчение и какви предимства има твърдотелният лазер пред другите видове. Разказва как се получава генерирането на кохерентно излъчване, защо импулсното устройство е по-мощно, защо е необходимо гравиране. Той също така обсъжда трите основни елемента на лазера и как работи.

Теория на зоните

Преди да говорим за това как работи лазер (твърдотелен, например), трябва да се имат предвид някои физически модели. Всеки помни от училищните уроци, че електроните се намират около атомното ядро в определени орбити или енергийни нива. Ако имаме на разположение не един атом, а много, тоест разглеждаме всяко обемно тяло, тогава възниква една трудност.

Съгласно принципа на Паули, в дадено тяло със същата енергия може да има само един електрон. Освен това дори и най-малкото пясъчно зърно съдържа огромен брой атоми. В случая природата е намерила много елегантен изход – енергията на всекиелектрон се различава от енергията на съседния с много малко, почти неразличимо количество. В този случай всички електрони от едно и също ниво се "компресират" в една енергийна лента. Зоната, в която се намират най-отдалечените от ядрото електрони, се нарича валентна зона. Следващата го зона има по-висока енергия. В него електроните се движат свободно и се нарича зона на проводимост.

Емисия и абсорбция

Всеки лазер (твърдотелен, газов, химически) работи на принципите на преход на електрони от една зона в друга. Ако светлината падне върху тялото, тогава фотонът дава на електрона достатъчно сила, за да го постави в по-високо енергийно състояние. И обратното: когато електрон преминава от зоната на проводимост към валентната зона, той излъчва един фотон. Ако веществото е полупроводник или диелектрик, лентите на валентност и проводимост са разделени от интервал, в който няма нито едно ниво. Съответно електроните не могат да бъдат там. Този интервал се нарича ширина на лентата. Ако фотонът има достатъчно енергия, тогава електроните прескачат този интервал.

Generation

Принципът на работа на твърдотелен лазер се основава на факта, че в забранената зона на веществото се създава така нареченото обратно ниво. Животът на електрона на това ниво е по-дълъг от времето, което прекарва в зоната на проводимост. По този начин в определен период от време именно върху него се „натрупват“електроните. Това се нарича обратна популация. Когато минава такова ниво с точкиелектрони, преминава фотон с желаната дължина на вълната, той предизвиква едновременно генериране на голям брой светлинни вълни с еднаква дължина и фаза. Тоест всички електрони в лавина едновременно преминават в основно състояние, генерирайки сноп от монохроматични фотони с достатъчно висока мощност. Трябва да се отбележи, че основният проблем на разработчиците на първия лазер беше търсенето на такава комбинация от вещества, за която би била възможна обратна популация на едно от нивата. Легираният рубин стана първата работна субстанция.

Лазерна композиция

Твърдотелният лазер не се различава от другите видове по отношение на основните си компоненти. Работното тяло, в което се извършва обратното заселване на едно от нивата, се осветява от някакъв светлинен източник. Нарича се изпомпване. Често това може да бъде обикновена лампа с нажежаема жичка или газоразрядна тръба. Два успоредни края на работния флуид (твърдотелен лазер означава кристал, газов лазер означава разредена среда) образуват система от огледала или оптичен резонатор. Той събира в лъч само онези фотони, които вървят успоредно на изхода. Твърдотелните лазери обикновено се изпомпват с светкавици.

Видове твърдотелни лазери

В зависимост от начина на излизане на лазерния лъч се различават непрекъснати и импулсни лазери. Всеки от тях намира приложение и има свои собствени характеристики. Основната разлика е, че импулсните твърдотелни лазери имат по-висока мощност. Защото за всеки изстрелфотоните изглежда се „натрупват“, тогава един импулс е в състояние да достави повече енергия от непрекъснатото генериране за подобен период от време. Колкото по-кратък е импулсът, толкова по-мощен е всеки „изстрел“. В момента е технологично възможно да се изгради фемтосекунден лазер. Един от импулсите му продължава около 10-15 секунди. Тази зависимост е свързана с факта, че описаните по-горе процеси на обратно заселване продължават много, много малко. Колкото по-дълго е необходимо да се изчака, преди лазерът да „изстреля“, толкова повече електрони имат време да напуснат обратното ниво. Съответно концентрацията на фотоните и енергията на изходния лъч се намаляват.

Лазерно гравиране

Модели върху повърхността на метални и стъклени неща украсяват ежедневието на човек. Могат да се прилагат механично, химически или с лазер. Последният метод е най-модерният. Предимствата му пред другите методи са следните. Тъй като няма пряко въздействие върху обработваната повърхност, е почти невъзможно да се повреди нещо в процеса на нанасяне на шаблон или надпис. Лазерният лъч изгаря много плитки канали: повърхността с такова гравиране остава гладка, което означава, че нещото не е повредено и ще продължи по-дълго. В случай на метал, лазерният лъч променя самата структура на веществото и надписът няма да бъде изтрит в продължение на много години. Ако нещо се използва внимателно, не е потопено в киселина и не се деформира, тогава в продължение на няколко поколения моделът върху него определено ще се запази. Най-добре е да изберете твърдотелен импулсен лазер за гравиране по две причини: процеси в твърдо състояниепо-лесен за шофиране и е оптимален по отношение на мощност и цена.

Инсталация

Има специални настройки за гравиране. В допълнение към самия лазер, те се състоят от механични водачи, по които се движи лазерът, и оборудване за управление (компютър). Лазерната машина се използва в много клонове на човешката дейност. По-горе говорихме за декориране на предмети от бита. Лични прибори за хранене, запалки, чаши, часовници ще останат в семейството за дълго време и ще ви напомнят за щастливи моменти.

Въпреки това, не само битовите, но и промишлените стоки се нуждаят от лазерно гравиране. Големите фабрики, като например автомобилите, произвеждат части в огромни количества: стотици хиляди или милиони. Всеки такъв елемент трябва да бъде маркиран – кога и кой го е създал. Няма по-добър начин от лазерното гравиране: числата, времето за производство, експлоатационният живот ще останат за дълго време дори върху движещи се части, за които има повишен риск от абразия. Лазерната машина в този случай трябва да се отличава с повишена мощност, както и с безопасност. В крайна сметка, ако гравирането промени свойството на метална част дори с част от процента, тя може да реагира различно на външни влияния. Например счупете на мястото, където е поставен надписът. Въпреки това, за домашна употреба е подходяща по-проста и по-евтина инсталация.