Faststoflaser: funktionsprincip, anvendelse

2024 Forfatter: Howard Calhoun | [email protected]. Sidst ændret: 2023-12-17 10:22

Denne artikel viser, hvad der er kilderne til monokromatisk stråling, og hvilke fordele en faststoflaser har i forhold til andre typer. Den fortæller, hvordan genereringen af kohærent stråling opstår, hvorfor den pulserende enhed er mere kraftfuld, hvorfor gravering er nødvendig. Den diskuterer også de tre væsentlige elementer i en laser, og hvordan den virker.

Zoneteori

Før man taler om, hvordan en laser (f.eks. i fast tilstand) virker, bør nogle fysiske modeller overvejes. Alle husker fra skoletimerne, at elektroner er placeret omkring atomkernen i bestemte baner eller energiniveauer. Hvis vi ikke har ét atom til rådighed, men mange, det vil sige, vi betragter ethvert volumetrisk legeme, så opstår der én vanskelighed.

Ifølge Pauli-princippet kan der i en given krop med samme energi kun være én elektron. Desuden indeholder selv det mindste sandkorn et stort antal atomer. I dette tilfælde har naturen fundet en meget elegant vej ud - hver enkelts energielektron adskiller sig fra naboens energi med en meget lille, næsten ikke skelnelig mængde. I dette tilfælde er alle elektroner på samme niveau "komprimeret" til et energibånd. Den zone, hvor elektronerne længst fra kernen befinder sig, kaldes valenszonen. Zonen efter den har en højere energi. I den bevæger elektroner sig frit, og det kaldes ledningsbåndet.

Emission og absorption

Enhver laser (faststof, gas, kemisk) arbejder efter principperne om elektronovergang fra en zone til en anden. Hvis lys falder på kroppen, giver fotonen elektronen tilstrækkelig styrke til at sætte den i en højere energitilstand. Og omvendt: Når en elektron passerer fra ledningsbåndet til valensbåndet, udsender den én foton. Hvis stoffet er en halvleder eller dielektrikum, er valens- og ledningsbåndene adskilt af et interval, hvori der ikke er et enkelt niveau. Derfor kan elektroner ikke være der. Dette interval kaldes båndgabet. Hvis fotonen har tilstrækkelig energi, springer elektronerne over dette interval.

Generation

Princippet for en faststoflaser er baseret på, at der skabes et såkaldt omvendt niveau i et stofs båndgab. Levetiden for en elektron på dette niveau er længere end den tid, den tilbringer i ledningsbåndet. I en vis periode er det således på den, at elektroner "akkumuleres". Dette kaldes invers population. Når forbi sådan et niveau prikketelektroner, en foton med den ønskede bølgelængde passerer, det forårsager samtidig generering af et stort antal lysbølger af samme længde og fase. Det vil sige, at elektronerne i en lavine alle samtidigt passerer ind i grundtilstanden og genererer en stråle af monokromatiske fotoner med en tilstrækkelig høj effekt. Det skal bemærkes, at hovedproblemet for udviklerne af den første laser var søgningen efter en sådan kombination af stoffer, for hvilke en omvendt population af et af niveauerne ville være mulig. Den legerede rubin blev det første arbejdsstof.

Laserkomposition

Haststoflaseren adskiller sig ikke fra andre typer med hensyn til dens hovedkomponenter. Arbejdslegemet, hvor den omvendte population af et af niveauerne udføres, er oplyst af en lyskilde. Det kaldes at pumpe. Ofte kan dette være en almindelig glødelampe eller et gasudladningsrør. To parallelle ender af arbejdsfluidet (en faststoflaser betyder en krystal, en gaslaser betyder et fordærvet medium) danner et system af spejle eller en optisk resonator. Det samler kun de fotoner, der går parallelt med udløbet, til en stråle. Solid-state lasere pumpes norm alt med blitzlamper.

Typer af solid state-lasere

Afhængigt af den måde, laserstrålen forlader, skelnes der mellem kontinuerlige og pulserende lasere. Hver af dem finder anvendelse og har sine egne karakteristika. Den største forskel er, at pulserende solid-state lasere har en højere effekt. Fordi for hvert skudfotoner ser ud til at "akkumulere", så er én puls i stand til at levere mere energi end kontinuerlig generering over en tilsvarende periode. Jo kortere impulsen varer, jo kraftigere hvert "skud". I øjeblikket er det teknologisk muligt at bygge en femtosekundlaser. En af dens impulser varer omkring 10-15 sekunder. Denne afhængighed hænger sammen med, at de ovenfor beskrevne tilbagebefolkningsprocesser varer meget, meget lidt. Jo længere tid det tager at vente før laseren "skyder", jo flere elektroner når at forlade det omvendte niveau. Følgelig reduceres koncentrationen af fotoner og energien af udgangsstrålen.

Lasergravering

Mønstre på overfladen af metal- og glasting pryder en persons dagligdag. De kan påføres mekanisk, kemisk eller med laser. Den sidste metode er den mest moderne. Dens fordele i forhold til andre metoder er som følger. Da der ikke er nogen direkte indvirkning på overfladen, der skal behandles, er det næsten umuligt at beskadige en ting i processen med at påføre et mønster eller en inskription. Laserstrålen brænder meget lavvandede riller ud: overfladen med en sådan gravering forbliver glat, hvilket betyder, at tingen ikke er beskadiget og vil holde længere. I tilfælde af metal ændrer laserstrålen selve strukturen af stoffet, og inskriptionen vil ikke blive slettet i mange år. Hvis en ting bruges omhyggeligt, ikke nedsænket i syre og ikke deformeret, vil mønsteret på det helt sikkert blive bevaret i flere generationer. Det er bedst at vælge en solid-state pulserende laser til gravering af to grunde: solid-state processernemmere at køre, og den er optimal i forhold til effekt og pris.

Installation

Der er specielle indstillinger til gravering. Ud over selve laseren består de af mekaniske guider, som laseren bevæger sig langs med, og kontroludstyr (computer). Lasermaskinen bruges i mange grene af menneskelig aktivitet. Ovenfor t alte vi om at dekorere husholdningsartikler. Personligt bestik, lightere, glas, ure vil blive i familien i lang tid og vil minde dig om lykkelige øjeblikke.

Men ikke kun husholdningsvarer, men også industrivarer har brug for lasergravering. Store fabrikker, såsom biler, producerer dele i enorme mængder: hundredtusindvis eller millioner. Hvert sådant element skal markeres - hvornår og hvem har oprettet det. Der er ingen bedre måde end lasergravering: tal, produktionstid, levetid vil forblive i lang tid, selv på bevægelige dele, hvor der er en øget risiko for slid. Lasermaskinen i dette tilfælde skal kendetegnes ved øget kraft såvel som sikkerhed. Når alt kommer til alt, hvis gravering ændrer egenskaben af en metaldel selv med en brøkdel af en procent, kan den reagere anderledes på ydre påvirkninger. For eksempel bryde på det sted, hvor inskriptionen er påført. Men til husholdningsbrug er en enklere og billigere installation velegnet.