Laser keadaan pepejal: prinsip operasi, aplikasi

2024 Pengarang: Howard Calhoun | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2023-12-17 10:36

Artikel ini menunjukkan apakah sumber sinaran monokromatik dan apakah kelebihan laser keadaan pepejal berbanding jenis lain. Ia memberitahu bagaimana penjanaan sinaran koheren berlaku, mengapa peranti berdenyut lebih berkuasa, mengapa ukiran diperlukan. Ia juga membincangkan tiga elemen penting laser dan cara ia berfungsi.

Teori zon

Sebelum bercakap tentang cara laser (keadaan pepejal, contohnya) berfungsi, beberapa model fizikal harus dipertimbangkan. Semua orang ingat dari pelajaran sekolah bahawa elektron terletak di sekeliling nukleus atom dalam orbit tertentu, atau tahap tenaga. Jika kita mempunyai bukan satu atom, tetapi banyak, iaitu, kita menganggap mana-mana badan isipadu, maka satu kesukaran timbul.

Menurut prinsip Pauli, dalam badan tertentu dengan tenaga yang sama hanya boleh ada satu elektron. Lebih-lebih lagi, walaupun butiran pasir terkecil mengandungi sejumlah besar atom. Dalam kes ini, alam semula jadi telah menemui jalan keluar yang sangat elegan - tenaga masing-masingelektron berbeza daripada tenaga jiran dengan jumlah yang sangat kecil, hampir tidak dapat dibezakan. Dalam kes ini, semua elektron pada tahap yang sama "dimampatkan" menjadi satu jalur tenaga. Zon di mana elektron terletak paling jauh dari nukleus dipanggil zon valens. Zon yang mengikutinya mempunyai tenaga yang lebih tinggi. Di dalamnya, elektron bergerak bebas, dan ia dipanggil jalur pengaliran.

Pelepasan dan penyerapan

Sebarang laser (keadaan pepejal, gas, kimia) berfungsi berdasarkan prinsip peralihan elektron dari satu zon ke zon lain. Jika cahaya jatuh pada badan, maka foton memberikan elektron kekuatan yang cukup untuk meletakkannya dalam keadaan tenaga yang lebih tinggi. Dan sebaliknya: apabila elektron melepasi jalur pengaliran ke jalur valens, ia memancarkan satu foton. Jika bahan itu adalah semikonduktor atau dielektrik, valensi dan jalur pengaliran dipisahkan dengan selang yang tidak terdapat satu aras. Oleh itu, elektron tidak boleh berada di sana. Selang ini dipanggil jurang jalur. Jika foton mempunyai tenaga yang mencukupi, maka elektron melompat ke atas selang ini.

Generasi

Prinsip operasi laser keadaan pepejal adalah berdasarkan fakta bahawa tahap songsang yang dipanggil dicipta dalam jurang jalur sesuatu bahan. Jangka hayat elektron pada tahap ini lebih lama daripada masa yang dihabiskan dalam jalur konduksi. Oleh itu, dalam tempoh masa tertentu, di atasnya elektron "terkumpul". Ini dipanggil populasi songsang. Apabila melepasi tahap sebegitu bertitikelektron, foton dengan panjang gelombang yang dikehendaki berlalu, ia menyebabkan penjanaan serentak sejumlah besar gelombang cahaya dengan panjang dan fasa yang sama. Iaitu, elektron dalam runtuhan salji semuanya serentak masuk ke dalam keadaan dasar, menghasilkan pancaran foton monokromatik dengan kuasa yang cukup tinggi. Perlu diingatkan bahawa masalah utama pemaju laser pertama adalah mencari gabungan bahan-bahan yang mana populasi songsang dari salah satu peringkat akan mungkin. Batu delima aloi menjadi bahan kerja pertama.

Komposisi Laser

Laser keadaan pepejal tidak berbeza daripada jenis lain dari segi komponen utamanya. Badan kerja, di mana populasi songsang satu daripada peringkat dijalankan, diterangi oleh beberapa sumber cahaya. Ia dipanggil mengepam. Selalunya ini boleh menjadi lampu pijar biasa atau tiub pelepasan gas. Dua hujung selari cecair kerja (laser keadaan pepejal bermaksud kristal, laser gas bermaksud medium jarang) membentuk sistem cermin, atau resonator optik. Ia mengumpul ke dalam rasuk hanya foton yang selari dengan alur keluar. Laser keadaan pepejal biasanya dipam dengan lampu kilat.

Jenis laser keadaan pepejal

Bergantung pada cara pancaran laser keluar, laser berterusan dan berdenyut dibezakan. Setiap daripada mereka menemui aplikasi dan mempunyai ciri tersendiri. Perbezaan utama ialah laser keadaan pepejal berdenyut mempunyai kuasa yang lebih tinggi. Kerana untuk setiap pukulanfoton kelihatan "terkumpul", maka satu nadi mampu menyampaikan lebih banyak tenaga daripada penjanaan berterusan dalam tempoh masa yang sama. Semakin pendek impuls berlangsung, semakin kuat setiap "tembakan". Pada masa ini, secara teknologi mungkin untuk membina laser femtosaat. Salah satu impulsnya berlangsung kira-kira 10-15 saat. Pergantungan ini dikaitkan dengan fakta bahawa proses populasi belakang yang diterangkan di atas berlangsung sangat, sangat sedikit. Lebih lama masa untuk menunggu sebelum laser "menembak", lebih banyak elektron mempunyai masa untuk meninggalkan tahap songsang. Sehubungan itu, kepekatan foton dan tenaga pancaran keluaran dikurangkan.

Ukiran laser

Corak pada permukaan benda logam dan kaca menghiasi kehidupan seharian seseorang. Mereka boleh digunakan secara mekanikal, kimia atau dengan laser. Kaedah terakhir adalah yang paling moden. Kelebihannya berbanding kaedah lain adalah seperti berikut. Oleh kerana tiada kesan langsung pada permukaan yang akan dirawat, hampir mustahil untuk merosakkan sesuatu dalam proses menerapkan corak atau inskripsi. Rasuk laser membakar alur yang sangat cetek: permukaan dengan ukiran sedemikian kekal licin, yang bermaksud bahawa benda itu tidak rosak dan akan bertahan lebih lama. Dalam kes logam, pancaran laser mengubah struktur bahan, dan inskripsi tidak akan dipadamkan selama bertahun-tahun. Jika sesuatu itu digunakan dengan berhati-hati, tidak direndam dalam asid dan tidak cacat, maka untuk beberapa generasi corak di atasnya pasti akan terpelihara. Adalah lebih baik untuk memilih laser berdenyut keadaan pepejal untuk ukiran atas dua sebab: proses keadaan pepejallebih mudah untuk dipandu dan ia adalah optimum dari segi kuasa dan harga.

Pemasangan

Terdapat tetapan khas untuk ukiran. Sebagai tambahan kepada laser itu sendiri, ia terdiri daripada panduan mekanikal di mana laser bergerak, dan peralatan kawalan (komputer). Mesin laser digunakan dalam banyak cabang aktiviti manusia. Di atas, kami bercakap tentang menghias barangan rumah. Kutleri peribadi, pemetik api, cermin mata, jam tangan akan kekal dalam keluarga untuk masa yang lama dan akan mengingatkan anda tentang detik-detik gembira.

Namun, bukan sahaja isi rumah, malah barangan industri memerlukan ukiran laser. Kilang-kilang besar, seperti kereta, menghasilkan alat ganti dalam kuantiti yang banyak: ratusan ribu atau berjuta-juta. Setiap elemen tersebut harus ditanda - bila dan siapa yang menciptanya. Tidak ada cara yang lebih baik daripada ukiran laser: nombor, masa pengeluaran, hayat perkhidmatan akan kekal untuk masa yang lama walaupun pada bahagian yang bergerak, yang mana terdapat peningkatan risiko lelasan. Mesin laser dalam kes ini harus dibezakan dengan peningkatan kuasa, serta keselamatan. Lagipun, jika ukiran mengubah sifat bahagian logam walaupun dengan pecahan peratus, ia mungkin bertindak balas secara berbeza terhadap pengaruh luar. Sebagai contoh, rehat di tempat di mana tulisan itu digunakan. Walau bagaimanapun, untuk kegunaan domestik, pemasangan yang lebih ringkas dan lebih murah adalah sesuai.