Questo articolo mostra quali sono le fontiradiazione monocromatica e quali sono i vantaggi di un laser a stato solido rispetto ad altri tipi. Descrive come avviene la generazione di radiazioni coerenti, perché il dispositivo pulsato è più potente e perché è necessaria l'incisione. Discute anche i tre elementi essenziali di un laser e come funziona.
Teoria delle zone
Prima di parlare di come funziona un laser(solido, ad esempio), è necessario considerare alcuni modelli fisici. Dalle lezioni scolastiche, tutti ricordano che gli elettroni si trovano intorno al nucleo atomico in determinate orbite o livelli di energia. Se abbiamo a nostra disposizione non un atomo, ma molti, cioè consideriamo un corpo tridimensionale, allora sorge una difficoltà.
Secondo il principio di Pauli, in un dato corpo con uno ela stessa energia può essere solo un elettrone. Inoltre, anche il più piccolo granello di sabbia contiene un numero enorme di atomi. In questo caso, la natura ha trovato una via d'uscita molto elegante: l'energia di ogni elettrone differisce dall'energia di quello vicino di una quantità molto piccola, quasi indistinguibile. In questo caso, tutti gli elettroni dello stesso livello vengono "pressati" in una zona di energia. La zona in cui si trovano gli elettroni più lontani dal nucleo è chiamata zona di valenza. La zona adiacente ha un'energia maggiore. In esso, gli elettroni si muovono liberamente e si chiama banda di conduzione.
Emissione e assorbimento
Qualsiasi laser (stato solido, gas, chimico)funziona sui principi del trasferimento di elettroni da una zona all'altra. Se la luce cade sul corpo, il fotone dà all'elettrone una forza sufficiente per trovarsi in uno stato di energia superiore. E viceversa: quando un elettrone passa dalla banda di conduzione alla banda di valenza, allora emette un fotone. Se la sostanza è un semiconduttore o un dielettrico, le bande di valenza e conducibilità sono separate da un intervallo in cui non c'è livello. Di conseguenza, gli elettroni non possono essere presenti. Questo intervallo è chiamato band gap. Se il fotone ha energia sufficiente, gli elettroni saltano su questo intervallo.
Generazione
Il principio di funzionamento di un laser a stato solido si basa suil fatto che si crea un cosiddetto livello inverso nella zona proibita di una sostanza. La durata di un elettrone a questo livello è maggiore del tempo che si trova nella banda di conduzione. Quindi, in un certo periodo di tempo, è su di esso che gli elettroni "si accumulano". Questa è chiamata popolazione inversa. Quando un fotone della lunghezza d'onda richiesta passa da un tale livello cosparso di elettroni, provoca la generazione simultanea di un gran numero di onde luminose della stessa lunghezza e fase. Cioè, la valanga di elettroni passa tutti simultaneamente nello stato fondamentale, generando un fascio di fotoni monocromatici di potenza sufficientemente elevata. Va notato che il problema principale degli sviluppatori del primo laser era la ricerca di una tale combinazione di sostanze per la quale sarebbe stata possibile una popolazione invertita di uno dei livelli. Il rubino drogato divenne la prima sostanza funzionante.
Composizione laser
Il laser a stato solido non lo èdifferisce dalle altre specie. Il corpo di lavoro, in cui si svolge la popolazione inversa di uno dei livelli, è illuminato da una fonte di luce. Si chiama pompaggio. Questa può spesso essere una lampada a incandescenza convenzionale o un tubo a scarica di gas. Due estremità parallele del fluido di lavoro (il laser a stato solido implica un cristallo, un gas - un mezzo rarefatto) formano un sistema di specchi o un risonatore ottico. Raccoglie in un raggio solo quei fotoni che corrono paralleli al foro di uscita. I laser a stato solido vengono solitamente pompati utilizzando lampade flash.
Tipi di laser a stato solido
A seconda del metodo di emissione del raggio laserdistinguere tra laser continui e pulsati. Ognuno di loro trova applicazione e ha le sue caratteristiche. La differenza principale è che i laser a stato solido pulsati hanno una potenza maggiore. Poiché per ogni scatto i fotoni "si accumulano", per così dire, un impulso è in grado di produrre più energia della generazione continua in un periodo di tempo simile. Meno dura l'impulso, più potente è ogni "colpo". Al momento è tecnologicamente possibile costruire un laser a femtosecondi. Uno dei suoi impulsi dura circa 10-15 secondi.Questa dipendenza è collegata al fatto che i processi di popolazione inversa descritti sopra durano molto, molto poco. Più tempo occorre per attendere prima che il laser "si accenda", più elettroni hanno il tempo di lasciare il livello inverso. Di conseguenza, la concentrazione di fotoni e l'energia del fascio di uscita diminuiscono.
Incisione laser
Modelli sulla superficie di metallo e vetrole cose decorano la vita quotidiana di una persona. Possono essere applicati meccanicamente, chimicamente o con un laser. L'ultimo metodo è il più moderno. I suoi vantaggi rispetto ad altri metodi sono i seguenti. Poiché non vi è alcun impatto diretto sulla superficie da trattare, è quasi impossibile danneggiare la cosa durante l'applicazione di un motivo o di un'iscrizione. Il raggio laser brucia solchi molto superficiali: la superficie con tale incisione rimane liscia, il che significa che l'oggetto non è danneggiato e durerà più a lungo. Nel caso del metallo, il raggio laser cambia la struttura stessa della sostanza e l'iscrizione non verrà cancellata per molti anni. Se usi la cosa con attenzione, non immergerla nell'acido o deformarla, quindi per diverse generazioni il motivo su di esso rimarrà sicuramente. È preferibile scegliere un laser pulsato a stato solido per l'incisione per due motivi: i processi in un solido sono più facili da controllare ed è ottimale in termini di rapporto potenza-prezzo.
installazione
Esistono installazioni speciali per l'incisione.Oltre al laser stesso, sono costituiti da guide meccaniche lungo le quali si muove il laser e da apparecchiature di controllo (computer). La macchina laser è utilizzata in molte aree dell'attività umana. Sopra abbiamo parlato della decorazione di oggetti per la casa. Posate personalizzate, accendini, bicchieri, orologi rimarranno a lungo in famiglia e ricorderanno momenti felici.
Tuttavia, non solo domestico, ma anche industrialele merci necessitano di incisione laser. Grandi fabbriche, come le automobili, producono parti in quantità enormi: centinaia di migliaia o milioni. Ciascuno di questi elementi deve essere contrassegnato: quando e chi lo ha creato. Non c'è modo migliore dell'incisione laser: numeri, tempi di produzione, vita utile rimarranno a lungo anche su parti in movimento, per le quali aumenta il rischio di abrasione. In questo caso, la macchina laser deve essere caratterizzata da una maggiore potenza e sicurezza. Dopotutto, se l'incisione modifica le proprietà di una parte metallica anche di una frazione di percento, può reagire in modo diverso alle influenze esterne. Ad esempio, interrompi nel luogo dell'iscrizione. Tuttavia, per l'uso domestico, è adatta un'installazione più semplice ed economica.
