Принцип на работа на твърдотелен лазер, приложение

Теория на зоните

Преди да говорим за това как работи лазер (например в твърдо състояние), трябва да разгледаме някои физически модели. Всеки си спомня от уроците в училище, че електроните са разположени около атомното ядро в определени орбити или енергийни нива. Ако имаме на разположение не един атом, а много, т.е. разглеждаме всяко обемно тяло, тогава възниква една трудност.

Според принципа на Паули в дадено тяло с еднаква енергия може да има само един електрон. Освен това дори най-малката песъчинка съдържа огромен брой атоми. В този случай природата е намерила много елегантен изход - енергията на всеки електрон се различава от енергията на съседния с много малка, почти неразличима величина. В този случай всички електрони от едно и също ниво са "компресирани" в една енергийна лента. Зоната, в която се намират най-отдалечените от ядрото електрони, се нарича валентна зона. Следващата зона има по-висока енергия. В нея електроните се движат свободно и тя се нарича зона на проводимост.

Емисия и абсорбция

Всеки лазер (твърдотелен, газов, химически) работи на принципа на прехода на електрони от една зона в друга. Ако светлината падне върху тялото, тогава фотонът дава на електрона достатъчно сила, за да го постави в по-високо енергийно състояние. И обратното: когато един електрон преминава от зоната на проводимост към валентната зона, той излъчва един фотон. Ако веществото е полупроводник или диелектрик, валентната и проводящата зона са разделени от интервал, в който няма нито едно ниво. Съответно електроните не могат да бъдат там. Този интервал се нарича забранена лента. Ако фотонът има достатъчна енергия, тогава електроните преодоляват този интервалскок.

Принципът на действие на твърдотелния лазер се основава на факта, че в забранената зона на веществото се създава така нареченото обратно ниво. Животът на един електрон на това ниво е по-дълъг от времето, което прекарва в зоната на проводимост. Така в определен период от време именно върху него се „натрупват“ електрони. Това се нарича обратна популация. Когато фотон с желаната дължина на вълната премине през такова ниво, обсипан с електрони, той предизвиква едновременното генериране на голям брой светлинни вълни с еднаква дължина и фаза. Тоест всички електрони в лавина едновременно преминават в основно състояние, генерирайки лъч от монохроматични фотони с достатъчно висока мощност. Трябва да се отбележи, че основният проблем на разработчиците на първия лазер беше търсенето на такава комбинация от вещества, за която да е възможна обратна популация на едно от нивата. Легираният рубин се превърна в първото работещо вещество.

Лазерна композиция

Твърдотелният лазер не се различава от другите видове по отношение на основните си компоненти. Работното тяло, в което се извършва обратното заселване на едно от нивата, се осветява от някакъв източник на светлина. Нарича се помпане. Често това може да бъде обикновена лампа с нажежаема жичка или газоразрядна тръба. Два успоредни края на работната течност (твърдотелен лазер означава кристал, газов лазер означава разредена среда) образуват система от огледала или оптичен резонатор. Той събира в лъч само тези фотони, които вървят успоредно на изхода. Твърдотелните лазери обикновено се изпомпват с помощта на флаш лампи.

Видове твърдотелни лазери

В зависимост от начина на излизане на лазерния лъч биват непрекъснати и импулсни лазери. Всеки от тях намира приложение и има своетоособености. Основната разлика е, че импулсните твърдотелни лазери имат по-висока мощност. Тъй като за всеки изстрел фотоните изглежда се „натрупват“, един импулс е в състояние да достави повече енергия от непрекъснатото генериране за подобен период от време. Колкото по-кратък е импулсът, толкова по-мощен е всеки "изстрел". В момента е технологично възможно изграждането на фемтосекунден лазер. Един от импулсите му трае около 10 -15 секунди. Тази зависимост е свързана с факта, че описаните по-горе процеси на обратно заселване продължават много, много малко. Колкото по-дълго е необходимо да се изчака преди лазерът да "стреля", толкова повече електрони имат време да напуснат обратното ниво. Съответно концентрацията на фотони и енергията на изходния лъч намаляват.

Лазерно гравиране

Шарките върху повърхността на метални и стъклени предмети украсяват ежедневието на човек. Могат да се прилагат механично, химично или с лазер. Последният метод е най-модерен. Предимствата му пред другите методи са следните. Тъй като няма пряко въздействие върху повърхността, която ще се третира, е почти невъзможно да се повреди нещо в процеса на нанасяне на модел или надпис. Лазерният лъч изгаря много плитки канали: повърхността с такова гравиране остава гладка, което означава, че нещото не се поврежда и ще продължи по-дълго. В случай на метал, лазерният лъч променя самата структура на веществото и надписът няма да бъде изтрит в продължение на много години. Ако нещо се използва внимателно, не се потапя в киселина и не се деформира, тогава в продължение на няколко поколения моделът върху него определено ще бъде запазен. Най-добре е да изберете твърдотелен импулсен лазер за гравиране по две причини: процесите в твърдо състояние се контролират по-лесно и той е оптимален по отношение на мощност и цена.

За гравиране има специалниинсталация. В допълнение към самия лазер, те се състоят от механични водачи, по които се движи лазерът, и контролно оборудване (компютър). Лазерната машина се използва в много отрасли на човешката дейност. По-горе говорихме за декорирането на битови предмети. Именните прибори за хранене, запалки, чаши, часовници ще останат в семейството за дълго време и ще ви напомнят за щастливи моменти.

Но не само домакинските, но и промишлените стоки се нуждаят от лазерно гравиране. Големите фабрики, като например автомобилите, произвеждат части в огромни количества: стотици хиляди или милиони. Всеки такъв елемент трябва да бъде отбелязан – кога и кой го е създал. Няма по-добър начин от лазерното гравиране: цифрите, времето за производство, експлоатационният живот ще останат за дълго време дори върху движещи се части, за които има повишен риск от абразия. Лазерната машина в този случай трябва да се отличава с повишена мощност, както и с безопасност. В крайна сметка, ако гравирането промени свойствата на метална част дори с част от процента, тя може да реагира по различен начин на външни влияния. Например, прекъсване на мястото на прилагане на надписа. Въпреки това, за домашна употреба е подходяща по-проста и по-евтина инсталация.