Vaste staat in laser: gebruiksprincipe, applicatie

Dit artikel laat zien wat de bronnen zijnmonochromatische straling en welke voordelen de laser heeft in vaste toestand vóór andere soorten. Hier wordt verteld hoe de generatie van coherente straling optreedt, waarom het pulsapparaat krachtiger is, waarvoor het noodzakelijk is te graveren. Ook worden hier drie verplichte elementen van de laser en het principe van de werking ervan beschouwd.

Zone theorie

Alvorens te praten over hoe de laser werkt(solid-state, bijvoorbeeld), sommige fysieke modellen moeten worden overwogen. Van schoollessen, herinnert men zich dat de elektronen zich in bepaalde banen rond de atoomkern bevinden, of energieniveaus. Als we niet één enkel atoom tot onze beschikking hebben, maar veel, dat wil zeggen, we beschouwen elk driedimensionaal lichaam, dan is er één moeilijkheid.

Volgens het principe van Pauli, in dit lichaam met één enDezelfde energie kan maar één elektron zijn. In dit geval bevat zelfs de kleinste korrel zand een enorm aantal atomen. De natuur heeft in dit geval een zeer elegante uitweg gevonden - de energie van elk elektron verschilt van de energie van het aangrenzende elektron door een zeer kleine, bijna onzichtbare waarde. In dit geval worden alle elektronen van hetzelfde niveau "samengeperst" in één energiezone. De zone waarin de elektronen die het verst van de kern verwijderd zijn, wordt de valentieband genoemd. De volgende zone heeft een hogere energie. Daarin bewegen elektronen vrij, en het wordt de geleidingsband genoemd.

Emissie en absorptie

Elke laser (vastestof, gas, chemisch)werkt aan de principes van de overgang van een elektron van de ene zone naar de andere. Als er licht op het lichaam valt, geeft het foton het elektron voldoende kracht om het in een hogere energietoestand te laten verschijnen. En omgekeerd: wanneer een elektron van de geleidingsband naar de valentie-band gaat, stoot het één foton uit. Als de stof een halfgeleider of diëlektricum is, worden de valentie- en geleidingszones gescheiden door een interval waarin er geen niveaus zijn. Dienovereenkomstig kunnen elektronen er niet zijn. Dit interval wordt de verboden zone genoemd. Als een foton voldoende energie heeft, overwinnen de elektronen dit interval abrupt.

generatie

Het principe van de werking van een solid-state laser is gebaseerd opHet feit dat er een zogenaamd invers niveau wordt gecreëerd in de verboden zone van de materie. De levensduur van een elektron op dit niveau is hoger dan zijn tijd in de geleidingsband. Dus, in een bepaalde tijdsperiode staat het erop dat elektronen "accumuleren". Dit wordt inverse populatie genoemd. Wanneer een foton met de vereiste golflengte een dergelijk met elektronen gestippeld niveau passeert, veroorzaakt het gelijktijdige opwekking van een groot aantal lichtgolven van gelijke lengte en fase. Dat wil zeggen, de elektronen van de lawine gaan allemaal tegelijkertijd naar de grondtoestand, en genereren een straal monochromatische fotonen met voldoende hoog vermogen. Het is vermeldenswaard dat het belangrijkste probleem van de ontwikkelaars van de eerste laser het zoeken naar een combinatie van stoffen was waarvoor een omgekeerde populatie van een van de niveaus mogelijk zou zijn. De eerste werkzame stof was een gedoteerde robijn.

Samenstelling van de laser

De solid-state laser voor de hoofdcomponenten is dat nietverschilt van andere soorten. Het werklichaam, waarin de inverse populatie van een van de niveaus wordt uitgevoerd, wordt verlicht door een lichtbron. Het heet pompen. Vaak kan het een conventionele gloeilamp of een gasontladingsbuis zijn. Twee parallelle uiteinden van het werklichaam (een laser in vaste toestand betekent een kristal, een gasmedium is een dun medium) vormen een systeem van spiegels of een optische resonator. Hij verzamelt in de straal alleen die fotonen die parallel aan de uitlaat lopen. Het pompen van solid-state lasers gebeurt meestal met behulp van pulslampen.

Soorten solid-state lasers

Afhankelijk van de methode van uitvoer van de laserstraalonderscheid maken tussen continue en gepulseerde lasers. Elk van hen vindt toepassing en heeft zijn eigen bijzonderheden. Het belangrijkste verschil is dat gepulseerde solid-state lasers een hoger vermogen hebben. Omdat fotonen voor elk schot lijken te "graven", kan één puls meer energie afgeven dan continue opwekking gedurende een vergelijkbare tijdsperiode. Hoe minder de puls duurt, hoe krachtiger elke "opname". Op dit moment is het technologisch mogelijk om een ​​femtoseconde laser te bouwen. Eén impuls duurt ongeveer 10^-15 seconden. Deze afhankelijkheid houdt verband met het feit dat de hierboven beschreven processen van omgekeerde populatie heel, heel weinig duren. Hoe langer het duurt voordat de laser "schiet", hoe meer elektronen de tijd hebben om het inverse niveau te verlaten. Dienovereenkomstig nemen de concentratie van fotonen en de energie van de uitvoerbundel af.

Lasergravure

Patronen op het oppervlak van metaal en glasdingen versieren het dagelijks leven van de mens. Ze kunnen mechanisch, chemisch of met laser worden aangebracht. De laatste manier is de modernste. De voordelen ten opzichte van andere methoden zijn als volgt. Omdat er geen directe impact is op het te behandelen oppervlak, is het bijna onmogelijk om iets te beschadigen tijdens het aanbrengen van een patroon of inscriptie. De laserstraal brandt zeer ondiepe groeven: het oppervlak met een dergelijke gravure blijft glad, wat betekent dat het ding niet beschadigd raakt en langer meegaat. In het geval van metaal verandert de laserstraal de structuur van de substantie zelf en wordt het opschrift gedurende vele jaren niet gewist. Als je een ding voorzichtig gebruikt, dompel het dan niet onder in zuur en vervorm het niet, dan blijft het patroon erop verschillende generaties precies behouden. Graveerlaser is het best om een ​​solid-state puls te kiezen om twee redenen: processen in een vaste stof zijn gemakkelijker te regelen en het is optimaal in termen van verhouding tussen vermogen en prijs.

installatie

Voor graveren zijn er speciale instellingen. Naast de laser zelf bestaan ​​ze uit mechanische geleiders, waardoor de laser beweegt, en de bewakingsapparatuur (computer). De lasermachine wordt gebruikt in vele takken van menselijke activiteit. Hierboven hadden we het over het versieren van huishoudelijke artikelen. Nominaal bestek, aanstekers, glazen, horloges zullen nog lang in de familie blijven en zullen u herinneren aan gelukkige momenten.

Echter, niet alleen binnenlands, maar ook industrieelgoederen hebben lasergravure nodig. Grote fabrieken, bijvoorbeeld de automobielindustrie, produceren onderdelen in enorme aantallen: honderdduizenden of miljoenen. Elk dergelijk element moet worden geëtiketteerd - wanneer en door wie het is gemaakt. De beste manier om te lasergraveren is niet te vinden: cijfers, tijdstip van uitgave, levensduur zal blijven bestaan, zelfs op bewegende delen, waarvoor het risico op slijtage groter is. De lasermachine moet in dit geval worden gekenmerkt door meer kracht en veiligheid. Immers, als graveren, ten minste een fractie van procent, de eigenschap van een metalen onderdeel verandert, kan het anders reageren op een extern effect. Breuk bijvoorbeeld op de plaats van de inscriptie. Een eenvoudigere en goedkopere installatie is echter geschikt voor huishoudelijk gebruik.