Λέιζερ στερεάς κατάστασης: αρχή λειτουργίας, εφαρμογή

2024 Συγγραφέας: Howard Calhoun | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2023-12-17 10:23

Αυτό το άρθρο δείχνει ποιες είναι οι πηγές μονοχρωματικής ακτινοβολίας και ποια πλεονεκτήματα έχει ένα λέιζερ στερεάς κατάστασης έναντι άλλων τύπων. Λέει πώς συμβαίνει η παραγωγή συνεκτικής ακτινοβολίας, γιατί η παλμική συσκευή είναι πιο ισχυρή, γιατί χρειάζεται χάραξη. Συζητά επίσης τα τρία βασικά στοιχεία ενός λέιζερ και τον τρόπο λειτουργίας του.

Θεωρία ζώνης

Πριν μιλήσουμε για το πώς λειτουργεί ένα λέιζερ (σε στερεά κατάσταση, για παράδειγμα), θα πρέπει να ληφθούν υπόψη ορισμένα φυσικά μοντέλα. Όλοι θυμούνται από τα σχολικά μαθήματα ότι τα ηλεκτρόνια βρίσκονται γύρω από τον ατομικό πυρήνα σε συγκεκριμένες τροχιές ή ενεργειακά επίπεδα. Αν δεν έχουμε στη διάθεσή μας ένα άτομο, αλλά πολλά, δηλαδή θεωρούμε οποιοδήποτε ογκομετρικό σώμα, τότε προκύπτει μία δυσκολία.

Σύμφωνα με την αρχή Pauli, σε ένα δεδομένο σώμα με την ίδια ενέργεια μπορεί να υπάρχει μόνο ένα ηλεκτρόνιο. Επιπλέον, ακόμη και ο μικρότερος κόκκος άμμου περιέχει τεράστιο αριθμό ατόμων. Σε αυτή την περίπτωση, η φύση έχει βρει μια πολύ κομψή διέξοδο - την ενέργεια του καθενόςΤο ηλεκτρόνιο διαφέρει από την ενέργεια του γειτονικού κατά πολύ μικρή, σχεδόν δυσδιάκριτη ποσότητα. Σε αυτή την περίπτωση, όλα τα ηλεκτρόνια του ίδιου επιπέδου «συμπιέζονται» σε μία ενεργειακή ζώνη. Η ζώνη στην οποία βρίσκονται τα ηλεκτρόνια που βρίσκονται πιο μακριά από τον πυρήνα ονομάζεται ζώνη σθένους. Η ζώνη που την ακολουθεί έχει μεγαλύτερη ενέργεια. Σε αυτό, τα ηλεκτρόνια κινούνται ελεύθερα και ονομάζεται ζώνη αγωγιμότητας.

Εκπομπή και απορρόφηση

Οποιοδήποτε λέιζερ (στερεής κατάστασης, αέριο, χημικό) λειτουργεί με βάση τις αρχές της μετάβασης ηλεκτρονίων από τη μια ζώνη στην άλλη. Εάν πέσει φως στο σώμα, τότε το φωτόνιο δίνει στο ηλεκτρόνιο αρκετή δύναμη για να το βάλει σε υψηλότερη ενεργειακή κατάσταση. Και αντίστροφα: όταν ένα ηλεκτρόνιο περνά από τη ζώνη αγωγιμότητας στη ζώνη σθένους, εκπέμπει ένα φωτόνιο. Εάν η ουσία είναι ημιαγωγός ή διηλεκτρικός, οι ζώνες σθένους και αγωγιμότητας διαχωρίζονται με ένα διάστημα στο οποίο δεν υπάρχει ούτε ένα επίπεδο. Κατά συνέπεια, τα ηλεκτρόνια δεν μπορούν να υπάρχουν. Αυτό το διάστημα ονομάζεται διάκενο ζώνης. Εάν το φωτόνιο έχει αρκετή ενέργεια, τότε τα ηλεκτρόνια πηδούν πάνω από αυτό το διάστημα.

Γενιά

Η αρχή λειτουργίας ενός λέιζερ στερεάς κατάστασης βασίζεται στο γεγονός ότι δημιουργείται ένα λεγόμενο αντίστροφο επίπεδο στο διάκενο ζώνης μιας ουσίας. Η διάρκεια ζωής ενός ηλεκτρονίου σε αυτό το επίπεδο είναι μεγαλύτερη από το χρόνο που ξοδεύει στη ζώνη αγωγιμότητας. Έτσι, σε μια ορισμένη χρονική περίοδο, τα ηλεκτρόνια "συσσωρεύονται". Αυτό ονομάζεται αντίστροφος πληθυσμός. Όταν περάσει ένα τέτοιο επίπεδο διάστικτοηλεκτρόνια, περνά ένα φωτόνιο του επιθυμητού μήκους κύματος, προκαλεί την ταυτόχρονη δημιουργία μεγάλου αριθμού κυμάτων φωτός ίδιου μήκους και φάσης. Δηλαδή, τα ηλεκτρόνια σε μια χιονοστιβάδα περνούν όλα ταυτόχρονα στη θεμελιώδη κατάσταση, δημιουργώντας μια δέσμη μονοχρωματικών φωτονίων επαρκώς υψηλής ισχύος. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι το κύριο πρόβλημα των κατασκευαστών του πρώτου λέιζερ ήταν η αναζήτηση ενός τέτοιου συνδυασμού ουσιών για τον οποίο θα ήταν δυνατός ένας αντίστροφος πληθυσμός ενός από τα επίπεδα. Το κράμα ρουμπίνι έγινε η πρώτη ουσία εργασίας.

Σύνθεση λέιζερ

Το λέιζερ στερεάς κατάστασης δεν διαφέρει από άλλους τύπους ως προς τα κύρια συστατικά του. Το σώμα εργασίας, στο οποίο πραγματοποιείται ο αντίστροφος πληθυσμός ενός από τα επίπεδα, φωτίζεται από κάποια πηγή φωτός. Λέγεται άντληση. Συχνά αυτό μπορεί να είναι ένας συνηθισμένος λαμπτήρας πυρακτώσεως ή ένας σωλήνας εκκένωσης αερίου. Δύο παράλληλα άκρα του ρευστού εργασίας (λέιζερ στερεάς κατάστασης σημαίνει κρύσταλλο, λέιζερ αερίου σημαίνει σπάνιο μέσο) σχηματίζουν ένα σύστημα κατόπτρων ή έναν οπτικό συντονιστή. Συλλέγει σε μια δέσμη μόνο εκείνα τα φωτόνια που πηγαίνουν παράλληλα στην έξοδο. Τα λέιζερ στερεάς κατάστασης αντλούνται συνήθως με λάμπες φλας.

Τύποι λέιζερ στερεάς κατάστασης

Ανάλογα με τον τρόπο εξόδου της δέσμης λέιζερ, διακρίνονται τα συνεχή και τα παλμικά λέιζερ. Καθένα από αυτά βρίσκει εφαρμογή και έχει τα δικά του χαρακτηριστικά. Η κύρια διαφορά είναι ότι τα παλμικά λέιζερ στερεάς κατάστασης έχουν μεγαλύτερη ισχύ. Γιατί για κάθε βολήΤα φωτόνια φαίνεται να «συσσωρεύονται», τότε ένας παλμός είναι ικανός να παρέχει περισσότερη ενέργεια από τη συνεχή παραγωγή σε παρόμοια χρονική περίοδο. Όσο πιο σύντομη διαρκεί η παρόρμηση, τόσο πιο δυνατή είναι η κάθε «βολή». Αυτή τη στιγμή, είναι τεχνολογικά εφικτή η κατασκευή ενός λέιζερ femtosecond. Μία από τις παρορμήσεις του διαρκεί περίπου 10-15 δευτερόλεπτα. Αυτή η εξάρτηση συνδέεται με το γεγονός ότι οι διαδικασίες οπισθοπληθυσμού που περιγράφηκαν παραπάνω διαρκούν πολύ, πολύ λίγο. Όσο περισσότερος χρόνος χρειάζεται για να περιμένουμε πριν το λέιζερ «πυροβολήσει», τόσο περισσότερα ηλεκτρόνια έχουν χρόνο να φύγουν από το αντίστροφο επίπεδο. Αντίστοιχα, η συγκέντρωση των φωτονίων και η ενέργεια της δέσμης εξόδου μειώνονται.

Χαρακτική με λέιζερ

Μοτίβα στην επιφάνεια των μεταλλικών και γυάλινων αντικειμένων κοσμούν την καθημερινή ζωή ενός ανθρώπου. Μπορούν να εφαρμοστούν μηχανικά, χημικά ή με laser. Η τελευταία μέθοδος είναι η πιο σύγχρονη. Τα πλεονεκτήματά του σε σχέση με άλλες μεθόδους είναι τα εξής. Δεδομένου ότι δεν υπάρχει άμεση πρόσκρουση στην επιφάνεια που πρόκειται να υποβληθεί σε επεξεργασία, είναι σχεδόν αδύνατο να καταστραφεί ένα πράγμα κατά τη διαδικασία εφαρμογής ενός σχεδίου ή επιγραφής. Η δέσμη λέιζερ καίει πολύ ρηχές αυλακώσεις: η επιφάνεια με μια τέτοια χάραξη παραμένει λεία, πράγμα που σημαίνει ότι το πράγμα δεν έχει καταστραφεί και θα διαρκέσει περισσότερο. Στην περίπτωση του μετάλλου, η δέσμη λέιζερ αλλάζει την ίδια τη δομή της ουσίας και η επιγραφή δεν θα διαγραφεί για πολλά χρόνια. Εάν ένα πράγμα χρησιμοποιείται προσεκτικά, δεν βυθίζεται σε οξύ και δεν παραμορφώνεται, τότε για αρκετές γενιές το σχέδιο πάνω του θα διατηρηθεί σίγουρα. Είναι καλύτερο να επιλέξετε ένα παλμικό λέιζερ στερεάς κατάστασης για χάραξη για δύο λόγους: διεργασίες στερεάς κατάστασηςευκολότερο στην οδήγηση και είναι βέλτιστο από άποψη ισχύος και τιμής.

Εγκατάσταση

Υπάρχουν ειδικές ρυθμίσεις για τη χάραξη. Εκτός από το ίδιο το λέιζερ, αποτελούνται από μηχανικούς οδηγούς κατά μήκος των οποίων κινείται το λέιζερ και εξοπλισμό ελέγχου (υπολογιστής). Η μηχανή λέιζερ χρησιμοποιείται σε πολλούς κλάδους της ανθρώπινης δραστηριότητας. Παραπάνω, μιλήσαμε για τη διακόσμηση των ειδών σπιτιού. Προσωπικά μαχαιροπίρουνα, αναπτήρες, ποτήρια, ρολόγια θα μείνουν στην οικογένεια για πολύ καιρό και θα σας θυμίζουν χαρούμενες στιγμές.

Ωστόσο, όχι μόνο οικιακά, αλλά και βιομηχανικά προϊόντα χρειάζονται χάραξη με λέιζερ. Μεγάλα εργοστάσια, όπως τα αυτοκίνητα, παράγουν ανταλλακτικά σε τεράστιες ποσότητες: εκατοντάδες χιλιάδες ή εκατομμύρια. Κάθε τέτοιο στοιχείο πρέπει να επισημαίνεται - πότε και ποιος το δημιούργησε. Δεν υπάρχει καλύτερος τρόπος από τη χάραξη με λέιζερ: οι αριθμοί, ο χρόνος παραγωγής, η διάρκεια ζωής θα παραμείνουν για μεγάλο χρονικό διάστημα ακόμη και σε κινούμενα μέρη, για τα οποία υπάρχει αυξημένος κίνδυνος τριβής. Το μηχάνημα λέιζερ σε αυτή την περίπτωση θα πρέπει να διακρίνεται από αυξημένη ισχύ, καθώς και ασφάλεια. Εξάλλου, εάν η χάραξη αλλάξει την ιδιότητα ενός μεταλλικού τμήματος ακόμη και κατά ένα κλάσμα τοις εκατό, μπορεί να αντιδράσει διαφορετικά σε εξωτερικές επιρροές. Για παράδειγμα, σπάστε στο σημείο όπου εφαρμόζεται η επιγραφή. Ωστόσο, για οικιακή χρήση, είναι κατάλληλη μια απλούστερη και φθηνότερη εγκατάσταση.