Szilárdtest-lézer: működési elv, alkalmazás

2024 Szerző: Howard Calhoun | [email protected]. Utoljára módosítva: 2023-12-17 10:30

Ez a cikk bemutatja, melyek a monokromatikus sugárzás forrásai, és milyen előnyei vannak a szilárdtestlézernek más típusokkal szemben. Elmondja, hogyan jön létre a koherens sugárzás, miért erősebb a pulzáló készülék, miért van szükség gravírozásra. A lézer három alapvető elemét és működését is tárgyalja.

Zónaelmélet

Mielőtt a lézer (például szilárdtest-lézer) működéséről beszélnénk, érdemes figyelembe venni néhány fizikai modellt. Mindenki emlékszik az iskolai órákról, hogy az elektronok az atommag körül bizonyos pályákon, vagy energiaszinteken helyezkednek el. Ha nem egy atom áll rendelkezésünkre, hanem sok, vagyis bármilyen térfogati testet figyelembe veszünk, akkor egy nehézség adódik.

A Pauli-elv szerint egy adott, azonos energiájú testben csak egy elektron lehet. Sőt, még a legkisebb homokszem is rengeteg atomot tartalmaz. Ebben az esetben a természet talált egy nagyon elegáns kiutat - mindegyik energiájátAz elektron nagyon kicsi, szinte megkülönböztethetetlen mértékben különbözik a szomszédos elektron energiájától. Ebben az esetben az összes azonos szintű elektron egy energiasávba "összenyomódik". Azt a zónát, amelyben az atommagtól legtávolabbi elektronok találhatók, vegyértékzónának nevezzük. Az őt követő zóna magasabb energiájú. Ebben az elektronok szabadon mozognak, és ezt vezetési sávnak nevezik.

Emisszió és abszorpció

Bármely lézer (szilárdtest-, gáz-, vegyi) az egyik zónából a másikba való elektronátmenet elvén működik. Ha fény esik a testre, akkor a foton elegendő erőt ad az elektronnak ahhoz, hogy magasabb energiájú állapotba kerüljön. És fordítva: amikor egy elektron átmegy a vezetési sávból a vegyértéksávba, egy fotont bocsát ki. Ha az anyag félvezető vagy dielektrikum, akkor a vegyérték- és vezetési sávokat egy olyan intervallum választja el, amelyben nincs egyetlen szint. Ennek megfelelően az elektronok nem lehetnek ott. Ezt az intervallumot sávrésnek nevezzük. Ha a fotonnak elegendő energiája van, akkor az elektronok átugranak ezen az intervallumon.

Generáció

A szilárdtestlézer működési elve azon alapul, hogy egy anyag sávközében úgynevezett inverz szint jön létre. Az elektron élettartama ezen a szinten hosszabb, mint a vezetési sávban eltöltött idő. Így egy bizonyos időn belül rajta „halmozódnak fel” az elektronok. Ezt inverz populációnak nevezik. Amikor túl egy ilyen szinten pontozottelektronok, egy kívánt hullámhosszú foton halad át, ez nagyszámú azonos hosszúságú és fázisú fényhullám egyidejű keletkezését okozza. Vagyis a lavina elektronjai egyszerre mennek át az alapállapotba, és kellően nagy teljesítményű monokromatikus fotonnyalábot generálnak. Meg kell jegyezni, hogy az első lézer fejlesztőinek fő problémája az volt, hogy olyan anyagkombinációt keressenek, amelynél lehetséges lenne az egyik szint inverz populációja. Az ötvözött rubin lett az első működő anyag.

Lézerkompozíció

A szilárdtestlézer fő összetevőit tekintve nem különbözik a többi típustól. A munkatestet, amelyben az egyik szint inverz populációját végzik, valamilyen fényforrás megvilágítja. Ezt pumpálásnak hívják. Gyakran ez lehet egy közönséges izzólámpa vagy egy gázkisülési cső. A munkafolyadék két párhuzamos vége (a szilárdtestlézer kristályt, a gázlézer ritkított közeget) tükörrendszert vagy optikai rezonátort alkot. Csak azokat a fotonokat gyűjti sugárba, amelyek párhuzamosak a kimenettel. A szilárdtestlézereket általában vakulámpákkal pumpálják.

Szilárdtest-lézerek típusai

A lézersugár kilépési módjától függően megkülönböztetünk folyamatos és impulzusos lézereket. Mindegyik talál alkalmazást, és megvannak a maga sajátosságai. A fő különbség az, hogy az impulzusos szilárdtestlézerek nagyobb teljesítményűek. Mert minden lövésérta fotonok „felhalmozódni” látszanak, akkor egy impulzus több energiát képes leadni, mint a folyamatos generálás hasonló időtartam alatt. Minél rövidebb ideig tart az impulzus, annál erősebb minden "lövés". Jelenleg technológiailag lehetséges a femtoszekundumos lézer megépítése. Az egyik impulzus körülbelül 10-15 másodpercig tart. Ez a függőség azzal függ össze, hogy a fent leírt visszapopulációs folyamatok nagyon-nagyon kevés ideig tartanak. Minél tovább kell várni, mielőtt a lézer „lövés”, annál több elektronnak van ideje elhagyni az inverz szintet. Ennek megfelelően a fotonok koncentrációja és a kimenő nyaláb energiája csökken.

Lézergravírozás

A fém- és üvegtárgyak felületén lévő minták díszítik az ember mindennapi életét. Alkalmazhatók mechanikusan, kémiailag vagy lézerrel. Az utolsó módszer a legmodernebb. Előnyei más módszerekkel szemben a következők. Mivel nincs közvetlen hatás a kezelendő felületre, szinte lehetetlen megsérteni egy dolgot a minta vagy felirat felvitele során. A lézersugár nagyon sekély barázdákat éget ki: az ilyen gravírozással ellátott felület sima marad, ami azt jelenti, hogy a dolog nem sérül és tovább tart. Fém esetében a lézersugár megváltoztatja az anyag szerkezetét, és a felirat hosszú évekig nem törlődik. Ha egy dolgot óvatosan használnak, nem merítik a savba és nem deformálják, akkor a minta több generáción keresztül biztosan megmarad. A gravírozáshoz két okból célszerű szilárdtest-impulzuslézert választani: szilárdtest-eljárások miattkönnyebben vezethető, teljesítmény és ár szempontjából pedig optimális.

Telepítés

Speciális beállítások vannak a gravírozáshoz. Magán a lézeren kívül mechanikus vezetőkből, amelyek mentén a lézer mozog, és vezérlőberendezésekből (számítógépből) állnak. A lézergépet az emberi tevékenység számos ágában használják. Fentebb a háztartási cikkek díszítéséről volt szó. A személyes evőeszközök, öngyújtók, poharak, órák sokáig a családban maradnak, és a boldog pillanatokra emlékeztetnek.

Azonban nem csak a háztartási, hanem az ipari cikkeknek is szükségük van lézergravírozásra. A nagy gyárak, például az autók hatalmas mennyiségben gyártanak alkatrészeket: százezreket vagy milliókat. Minden ilyen elemet meg kell jelölni - mikor és ki készítette. A lézergravírozásnál nincs jobb módszer: a számok, a gyártási idő, az élettartam még a mozgó alkatrészeken is sokáig megmarad, aminél fokozott a kopásveszély. A lézergépet ebben az esetben meg kell különböztetni a megnövekedett teljesítménnyel és a biztonsággal. Hiszen ha a gravírozás akár egy százalék töredékével is megváltoztatja egy fém alkatrész tulajdonságait, akkor az eltérően reagálhat a külső hatásokra. Például törje meg azon a helyen, ahol a feliratot alkalmazzák. Háztartási használatra azonban egy egyszerűbb és olcsóbb telepítés is megfelelő.