Ten artykuł pokazuje, jakie są źródłapromieniowanie monochromatyczne i jakie są zalety lasera na ciele stałym w porównaniu z innymi typami. Opisuje, w jaki sposób zachodzi generowanie spójnego promieniowania, dlaczego urządzenie pulsacyjne jest mocniejsze i dlaczego potrzebne jest grawerowanie. Omówiono również trzy podstawowe elementy lasera i sposób jego działania.
Teoria stref
Zanim porozmawiamy o tym, jak działa laser(na przykład bryła), należy wziąć pod uwagę niektóre modele fizyczne. Z lekcji szkolnych wszyscy pamiętają, że elektrony znajdują się wokół jądra atomowego na określonych orbitach lub poziomach energetycznych. Jeśli mamy do dyspozycji nie jeden atom, ale wiele, to znaczy rozważamy dowolne trójwymiarowe ciało, pojawia się jedna trudność.
Zgodnie z zasadą Pauliego w danym ciele z jednym ita sama energia może być tylko jednym elektronem. Co więcej, nawet najmniejsze ziarno piasku zawiera ogromną liczbę atomów. W tym przypadku natura znalazła bardzo eleganckie wyjście - energia każdego elektronu różni się od energii sąsiedniego o bardzo małą, prawie nie do odróżnienia wielkość. W tym przypadku wszystkie elektrony tego samego poziomu są „wciskane” w jedną strefę energetyczną. Strefa, w której znajdują się elektrony najbardziej oddalone od jądra, nazywana jest strefą walencyjną. Strefa obok ma wyższą energię. W nim elektrony poruszają się swobodnie i nazywa się to pasmem przewodnictwa.
Emisja i absorpcja
Dowolny laser (ciało stałe, gaz, chemikalia)pracuje na zasadach przenoszenia elektronów z jednej strefy do drugiej. Jeśli światło pada na ciało, foton daje elektronowi wystarczającą siłę, aby był w stanie wyższej energii. I odwrotnie: kiedy elektron przechodzi z pasma przewodnictwa do pasma walencyjnego, emituje jeden foton. Jeśli substancja jest półprzewodnikiem lub dielektrykiem, pasma wartościowości i przewodnictwa są oddzielone przedziałem, w którym nie ma poziomu. W związku z tym elektrony nie mogą tam być. Ten przedział nazywany jest przerwą wzbronioną. Jeśli foton ma wystarczającą energię, elektrony przeskakują przez ten przedział.
Pokolenie
Zasada działania lasera na ciele stałym opiera się nafakt, że w zakazanej strefie substancji tworzy się tak zwany poziom odwrotny. Czas życia elektronu na tym poziomie jest dłuższy niż czas w paśmie przewodnictwa. Stąd w pewnym okresie czasu to na nim „gromadzą się” elektrony. Nazywa się to populacją odwrotną. Gdy foton o wymaganej długości fali przejdzie przez taki poziom usiany elektronami, powoduje to jednoczesne wytworzenie dużej liczby fal świetlnych o tej samej długości i fazie. Oznacza to, że wszystkie elektrony w lawinie przechodzą jednocześnie w stan podstawowy, generując wiązkę fotonów monochromatycznych o wystarczająco dużej mocy. Należy zauważyć, że głównym problemem twórców pierwszego lasera było poszukiwanie takiej kombinacji substancji, dla której możliwa byłaby odwrócona populacja jednego z poziomów. Pierwszą substancją roboczą stał się rubin domieszkowany.
Skład lasera
Laser na ciele stałym nie jestróżni się od innych gatunków. Ciało robocze, w którym przeprowadza się odwrotną populację jednego z poziomów, jest oświetlane przez jakieś źródło światła. To się nazywa pompowanie. Często może to być zwykła żarówka lub lampa wyładowcza. Dwa równoległe końce płynu roboczego (laser na ciele stałym oznacza kryształ, gaz - rozrzedzone medium) tworzą układ zwierciadeł lub rezonatora optycznego. W wiązce zbiera tylko te fotony, które biegną równolegle do otworu wyjściowego. Lasery na ciele stałym są zwykle pompowane za pomocą lamp błyskowych.
Rodzaje laserów na ciele stałym
W zależności od metody emisji wiązki laserowejrozróżniać lasery ciągłe i impulsowe. Każdy z nich znajduje zastosowanie i ma swoje własne cechy. Główna różnica polega na tym, że impulsowe lasery na ciele stałym mają większą moc. Ponieważ przy każdym strzale fotony niejako „kumulują się”, jeden impuls jest w stanie wytworzyć więcej energii niż ciągłe wytwarzanie w podobnym okresie czasu. Im mniej trwa impuls, tym silniejszy jest każdy „strzał”. W tej chwili technologicznie możliwe jest zbudowanie lasera femtosekundowego. Jeden z jego impulsów trwa około 10-15 sekundy.Zależność ta wiąże się z tym, że opisane powyżej procesy odwrócenia populacji trwają bardzo, bardzo krótko. Im dłużej trwa czekanie, zanim laser "odpali", tym więcej elektronów ma czas na opuszczenie poziomu odwrotnego. W związku z tym zmniejsza się koncentracja fotonów i energia wiązki wyjściowej.
Grawerowanie laserowe
Wzory na powierzchni metalu i szkłarzeczy zdobią codzienne życie człowieka. Można je nakładać mechanicznie, chemicznie lub laserem. Ostatnia metoda jest najnowocześniejsza. Jego zalety w stosunku do innych metod są następujące. Ponieważ nie ma bezpośredniego wpływu na obrabianą powierzchnię, prawie niemożliwe jest uszkodzenie przedmiotu podczas nanoszenia wzoru lub napisu. Wiązka lasera wypala bardzo płytkie rowki: powierzchnia z takim grawerem pozostaje gładka, co oznacza, że przedmiot nie jest uszkodzony i będzie trwał dłużej. W przypadku metalu wiązka lasera zmienia samą strukturę substancji, a napis nie zostanie zatarty przez wiele lat. Jeśli używasz rzeczy ostrożnie, nie zanurzaj jej w kwasie ani nie odkształcaj, wtedy przez kilka pokoleń wzór na niej na pewno pozostanie. Najlepiej wybrać laser pulsacyjny na ciele stałym do grawerowania z dwóch powodów: procesy w ciele stałym są łatwiejsze do kontrolowania i jest optymalny pod względem stosunku mocy do ceny.
Instalacja
Istnieją specjalne instalacje do grawerowania.Oprócz samego lasera składają się z mechanicznych prowadnic, po których porusza się laser, oraz sprzętu sterującego (komputer). Maszyna laserowa znajduje zastosowanie w wielu dziedzinach ludzkiej działalności. Powyżej rozmawialiśmy o dekorowaniu artykułów gospodarstwa domowego. Spersonalizowane sztućce, zapalniczki, okulary, zegarki na długo pozostaną w rodzinie i przypomną szczęśliwe chwile.
Jednak nie tylko domowe, ale także przemysłowetowary wymagają grawerowania laserowego. Duże fabryki, takie jak samochody, produkują części w ogromnych ilościach: setki tysięcy lub miliony. Każdy taki element trzeba zaznaczyć - kiedy i kto go stworzył. Nie ma lepszego sposobu niż grawerowanie laserowe: numery, czas produkcji, żywotność pozostaną na długo nawet na częściach ruchomych, w przypadku których ryzyko ścierania jest zwiększone. W takim przypadku maszynę laserową należy wyróżniać zwiększoną mocą, a także bezpieczeństwem. W końcu, jeśli grawerowanie zmienia właściwości części metalowej nawet o ułamek procenta, może inaczej reagować na wpływy zewnętrzne. Na przykład złam w miejscu napisu. Jednak do użytku domowego odpowiednia jest prostsza i tańsza instalacja.
