Solid-state laser: princip delovanja, uporaba

2024 Avtor: Howard Calhoun | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2023-12-17 10:40

Ta članek prikazuje, kateri so viri monokromatskega sevanja in kakšne prednosti ima polprevodniški laser pred drugimi vrstami. Pove, kako pride do generiranja koherentnega sevanja, zakaj je impulzna naprava močnejša, zakaj je potrebno graviranje. Obravnava tudi tri bistvene elemente laserja in kako deluje.

Teorija con

Preden govorimo o delovanju laserja (na primer polprevodniškega), je treba razmisliti o nekaterih fizičnih modelih. Iz šolskih lekcij se vsi spominjajo, da se elektroni nahajajo okoli atomskega jedra v določenih orbitah ali energijskih ravneh. Če imamo na razpolago ne enega atoma, ampak veliko, torej upoštevamo katero koli volumetrično telo, se pojavi ena težava.

Po Paulijevem principu je lahko v danem telesu z enako energijo samo en elektron. Poleg tega tudi najmanjše zrno peska vsebuje ogromno atomov. V tem primeru je narava našla zelo eleganten izhod - energija vsakegaelektron se od energije sosednjega razlikuje za zelo majhno, skoraj nerazločljivo količino. V tem primeru so vsi elektroni istega nivoja "stisnjeni" v en energijski pas. Območje, v katerem se nahajajo elektroni, ki so najbolj oddaljeni od jedra, se imenuje valenčna cona. Območje, ki ji sledi, ima višjo energijo. V njem se elektroni prosto gibljejo in se imenuje prevodni pas.

Emisija in absorpcija

Vsak laser (polprevodniški, plinski, kemični) deluje na principu prehoda elektronov iz ene cone v drugo. Če svetloba pade na telo, potem foton daje elektronu dovolj moči, da ga postavi v višje energijsko stanje. In obratno: ko elektron preide iz prevodnega pasu v valenčni pas, odda en foton. Če je snov polprevodnik ali dielektrik, sta valenčni in prevodni pas ločena z intervalom, v katerem ni ene ravni. V skladu s tem elektroni ne morejo biti tam. Ta interval se imenuje pasovna vrzel. Če ima foton dovolj energije, potem elektroni preskočijo ta interval.

generacija

Načelo delovanja polprevodniškega laserja temelji na dejstvu, da se v pasovni vrzeli snovi ustvari tako imenovana inverzna raven. Življenjska doba elektrona na tej ravni je daljša od časa, ki ga preživi v prevodnem pasu. Tako se v določenem časovnem obdobju na njem "nabirajo" elektroni. To se imenuje inverzna populacija. Ko mimo takšne ravni pikčastoelektronov, foton želene valovne dolžine preide, povzroči hkratno generiranje velikega števila svetlobnih valov enake dolžine in faze. To pomeni, da vsi elektroni v plazu hkrati preidejo v osnovno stanje in ustvarijo snop monokromatskih fotonov dovolj velike moči. Treba je opozoriti, da je bila glavna težava razvijalcev prvega laserja iskanje takšne kombinacije snovi, za katero bi bila možna inverzna populacija ene od ravni. Legirani rubin je postal prva delovna snov.

Laserska kompozicija

Polprevodniški laser se po glavnih komponentah ne razlikuje od drugih vrst. Delovno telo, v katerem se izvaja inverzna populacija enega od nivojev, je osvetljeno z nekim svetlobnim virom. Imenuje se črpanje. Pogosto je to lahko navadna žarnica ali plinska cev. Dva vzporedna konca delovne tekočine (polprevodniški laser pomeni kristal, plinski laser pomeni redek medij) tvorita sistem ogledal ali optični resonator. V žarek zbere samo tiste fotone, ki gredo vzporedno z izstopom. Polprevodniški laserji se običajno črpajo z bliskavico.

Vrste polprevodniških laserjev

Odvisno od načina izstopa laserskega žarka se razlikujejo neprekinjeni in impulzni laserji. Vsak od njih najde uporabo in ima svoje značilnosti. Glavna razlika je v tem, da imajo impulzni polprevodniški laserji večjo moč. Ker za vsak strelZdi se, da se fotoni "nabirajo", potem je en impulz sposoben oddati več energije kot neprekinjeno ustvarjanje v podobnem časovnem obdobju. Krajši kot traja impulz, močnejši je vsak "strel". Trenutno je tehnološko mogoče izdelati femtosekundni laser. Eden od njegovih impulzov traja približno 10-15 sekund. Ta odvisnost je povezana z dejstvom, da zgoraj opisani procesi povratne populacije trajajo zelo, zelo malo. Dlje ko je potrebno čakati, preden laser "ustreli", več elektronov ima časa, da zapusti inverzno raven. Skladno s tem se zmanjša koncentracija fotonov in energija izhodnega žarka.

Lasersko graviranje

Vzorci na površini kovinskih in steklenih stvari krasijo človekovo vsakdanje življenje. Nanašamo jih lahko mehansko, kemično ali z laserjem. Zadnja metoda je najsodobnejša. Njegove prednosti pred drugimi metodami so naslednje. Ker ni neposrednega vpliva na obdelano površino, je pri nanašanju vzorca ali napisa skoraj nemogoče poškodovati stvar. Laserski žarek izgori zelo plitve utore: površina s takšno gravuro ostane gladka, kar pomeni, da se stvar ne poškoduje in bo trajala dlje. Pri kovini laserski žarek spremeni samo strukturo snovi, napis pa ne bo izbrisan še vrsto let. Če se stvar uporablja previdno, ni potopljena v kislino in ne deformirana, se bo vzorec na njej zagotovo ohranil več generacij. Za graviranje je najbolje izbrati polprevodniški pulzni laser iz dveh razlogov: polprevodniški procesilažja za vožnjo, optimalna pa je glede moči in cene.

Namestitev

Obstajajo posebne nastavitve za graviranje. Poleg samega laserja so sestavljeni iz mehanskih vodil, po katerih se laser premika, in krmilne opreme (računalnika). Laserski stroj se uporablja v številnih vejah človeške dejavnosti. Zgoraj smo govorili o dekoriranju gospodinjskih predmetov. Osebni jedilni pribor, vžigalniki, kozarci, ure bodo ostali v družini še dolgo in vas bodo spominjali na srečne trenutke.

Vendar pa lasersko graviranje ne potrebuje le gospodinjskih, temveč tudi industrijskih izdelkov. Velike tovarne, kot so avtomobili, proizvajajo dele v ogromnih količinah: na stotine tisoč ali milijone. Vsak tak element je treba označiti – kdaj in kdo ga je ustvaril. Ni boljšega načina kot lasersko graviranje: številke, čas izdelave, življenjska doba bodo dolgo ostali tudi na gibljivih delih, za katere obstaja povečana nevarnost odrgnin. Laserski stroj v tem primeru je treba odlikovati s povečano močjo, pa tudi z varnostjo. Konec koncev, če graviranje spremeni lastnost kovinskega dela celo za delček odstotka, se lahko drugače odzove na zunanje vplive. Na primer, zlomite na mestu, kjer je napisan napis. Za domačo uporabo pa je primerna enostavnejša in cenejša namestitev.