Laserová pevná látka: princip činnosti, aplikace

Tento článek ukazuje, jaké jsou zdroje monochromatického záření a jaké výhody má laser při zpevňování před jinými druhy. Zde je řečeno, jak vzniká koherentní záření, proč je impulsní zařízení silnější, pro které je třeba gravitovat. Rovněž jsou zde uváděny tři povinné prvky laseru a princip fungování laseru.

Teorie zón

Než začnete mluvit o tom, jak laser funguje (např. v pevném stavu), měly by být zváženy některé fyzikální modely. Ze školních hodin si člověk pamatuje, že elektrony se nacházejí v okolí atomového jádra v určitých oběžných dráhách nebo energetických úrovních. Pokud nemáme k dispozici žádný atom, nýbrž mnoho, tj. Považujeme každé trojrozměrné tělo, pak je tu jedna obtíž.

Podle princip Pauli, V daném těle se stejnou energií může být pouze jeden elektron. V tomto případě obsahuje i nejmenší zrno písku obrovský počet atomů. Příroda v tomto případě našla velmi elegantní cestu - energie každého elektronu se liší od energie sousedního elektronu velmi malou, téměř nesnesitelnou hodnotou. V tomto případě jsou všechny elektrony stejné úrovně "komprimovány" do jedné energetické zóny. Zóna, ve které jsou elektrony, které jsou nejdále od jádra, se nazývají valenční pásmo. Zóna, která následuje, má vyšší energii. V tom se elektrony pohybují volně a nazývají se vodivým pásmem.

Emise a absorpce

Jakýkoli laser (polovodičový, plynový, chemický) pracuje na principu přenosu elektronů z jedné zóny do druhé. Pokud světlo dopadá na tělo, foton dodává elektronu dostatečnou sílu, aby se objevil ve větším energetickém stavu. A naopak: když elektron přejde z vodivého pásma do valence, vysílá jeden foton. Pokud je látka polovodičová nebo dielektrika, jsou oblasti valence a vodivosti odděleny intervalem, ve kterém nejsou žádné úrovně. Elektrony tedy nemohou být tam. Tento interval se nazývá zakázaná zóna. Pokud má foton dostatečnou energii, pak elektrony překonávají tento interval náhle.

Generování

Princip fungování pevného stavu laseru je založen na skutečnosti, že v zakázané zóně hmoty vzniká takzvaná inverzní úroveň. Životnost elektronu na této úrovni je vyšší než jeho doba ve vodivém pásmu. Takže v určitém časovém období je na tom, že se elektrony "hromadí". Toto se nazývá inverzní populace. Když foton požadované vlnové délky prochází takovou úrovní dotovanou elektrony, způsobuje současně generování velkého množství světlých vln stejné délky a fáze. To znamená, že elektrony laviny současně přicházejí do základního stavu a generují paprsek jednobarevných fotonů dostatečně vysokého výkonu. Stojí za zmínku, že hlavním problémem vývojářů prvního laseru bylo hledání kombinace látek, u kterých by byla možná invertovaná populace jedné z úrovní. První pracovní látkou byla dopovaný rubín.

Složení laseru

Pevný laser pro hlavní komponenty se neliší od ostatních druhů. Pracovní těleso, ve kterém se provádí inverzní populace jedné z úrovní, je osvětleno některým světelným zdrojem. Říká se tomu čerpání. Často to může být klasická žárovka nebo trubice s výbojem plynu. Dva paralelní konce pracovního těla (solidní laser znamená krystal, plynové médium je řídké médium) tvoří systém zrcadel nebo optický rezonátor. Do svazku shromažďuje pouze ty fotony, které běží rovnoběžně s výstupem. Čerpání lasery v pevné fázi obvykle probíhá pomocí impulzních lamp.

Typy laserů v pevné fázi

V závislosti na způsobu výstupu laserového paprsku jsou rozlišeny kontinuální a pulzní lasery. Každý z nich nalézá žádost a má své vlastní zvláštnosti. Hlavní rozdíl spočívá v tom, že pulzní polovodičové lasery mají vyšší výkon. Vzhledem k tomu, že pro každý výstřel se zdá, že fotony "kopávají", pak jeden puls je schopen dávat více energie než nepřetržitá generace po podobné časové období. Čím méně trvá impuls, tím silnější je každý "výstřel". V současné době je technologicky možné budovat femtosekundový laser. Jeden impuls trvá asi 10 let^-15 sekund. Tato závislost souvisí s tím, že procesy obrácené populace popsané výše jsou velmi, velmi málo. Čím déle trvá, než počká laser "střílet", tím více elektronů bude mít čas opustit inverzní úroveň. Proto se koncentrace fotonů a energie výstupního paprsku snižují.

Laserové gravírování

Vzory na povrchu kovových a skleněných předmětů zdobí každodenní život člověka. Mohou být aplikovány mechanicky, chemicky nebo laserem. Druhá cesta je nejmodernější. Jeho výhody oproti jiným metodám jsou následující. Vzhledem k tomu, že na ošetřovaný povrch není žádný přímý dopad, je téměř nemožné poškodit věc v procesu aplikace vzoru nebo nápisu. Laserový paprsek velmi hořké drážky spálí: povrch s takovou rytinou zůstává hladký, což znamená, že věc se nepoškodí a bude trvat déle. V případě kovu mění laserový paprsek strukturu samotné látky a nápis nebude vymazán po mnoho let. Pokud používáte věc pečlivě, neponořujte ji do kyseliny a nedeformujte se, pak se na několik generací bude zachovat vzorek. Gravírovací laser je nejlépe zvolit puls pevného stavu ze dvou důvodů: procesy v pevném stavu jsou snadněji kontrolovatelné a optimální z hlediska poměru výkonu k ceně.

Instalace

Pro gravírování existují speciální nastavení. Kromě samotného laseru se skládají z mechanických vodítek, kterými se laser pohybuje, a monitorovacího zařízení (počítače). Laserový stroj se používá v mnoha odvětvích lidské činnosti. Nad tím jsme mluvili o zdobení předmětů pro domácnost. Nominální příbory, zapalovače, brýle, hodinky zůstanou v rodině po dlouhou dobu a připomínají vám šťastné okamžiky.

Nicméně nejen domácí, ale i průmyslové výrobky potřebují laserové gravírování. Velké továrny, například automobilový průmysl, vyrábějí díly v obrovském množství: stovky tisíc nebo miliony. Každý takový prvek musí být označen - kdy a kdo ho vytvořil. Nejlepší způsob, jak se laserové gravírování nenachází: čísla, doba uvolnění, životnost zůstane delší dobu i na pohybujících se částech, u kterých se zvyšuje riziko oděru. Laserový stroj v tomto případě by měl být charakterizován zvýšeným výkonem a bezpečností. Koneckonců, pokud rytina, alespoň zlomek procenta, změní vlastnost kovové části, může reagovat jinak na vnější efekt. Například rozlomte místo nápisu. Nicméně jednodušší a levnější instalace je vhodná pro domácí použití.