Pevný laser: princíp činnosti, aplikácia

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Naposledy zmenené: 2023-12-17 10:39

Tento článok ukazuje, aké sú zdroje monochromatického žiarenia a aké výhody má pevnolátkový laser oproti iným typom. Hovorí, ako dochádza ku generovaniu koherentného žiarenia, prečo je pulzné zariadenie výkonnejšie, prečo je potrebné gravírovanie. Pojednáva tiež o troch základných prvkoch lasera a o tom, ako funguje.

Teória zón

Skôr, než sa začne hovoriť o tom, ako funguje laser (napríklad v pevnej fáze), mali by sme zvážiť niektoré fyzikálne modely. Každý si zo školských hodín pamätá, že elektróny sa nachádzajú okolo atómového jadra na určitých dráhach alebo energetických úrovniach. Ak máme k dispozícii nie jeden atóm, ale veľa, teda uvažujeme o akomkoľvek objemovom telese, nastáva jeden problém.

Podľa Pauliho princípu môže byť v danom tele s rovnakou energiou iba jeden elektrón. Navyše aj to najmenšie zrnko piesku obsahuje obrovské množstvo atómov. V tomto prípade príroda našla veľmi elegantné východisko - energiu každéhoelektrón sa líši od energie susedného veľmi malým, takmer nerozoznateľným množstvom. V tomto prípade sú všetky elektróny rovnakej úrovne „stlačené“do jedného energetického pásma. Zóna, v ktorej sa nachádzajú elektróny najvzdialenejšie od jadra, sa nazýva valenčná zóna. Zóna za ním má vyššiu energiu. V ňom sa elektróny voľne pohybujú a nazýva sa to vodivé pásmo.

Emisie a absorpcia

Akýkoľvek laser (tuhý, plynový, chemický) funguje na princípoch prechodu elektrónov z jednej zóny do druhej. Ak svetlo dopadá na telo, potom fotón dáva elektrónu dostatočnú silu, aby ho uviedol do stavu vyššej energie. A naopak: keď elektrón prejde z vodivého pásma do valenčného pásma, vyžiari jeden fotón. Ak je látkou polovodič alebo dielektrikum, valenčné a vodivé pásy sú oddelené intervalom, v ktorom nie je jediná hladina. Preto tam nemôžu byť elektróny. Tento interval sa nazýva pásmový rozdiel. Ak má fotón dostatočnú energiu, elektróny tento interval preskočia.

Generation

Princíp činnosti pevnolátkového lasera je založený na tom, že v zakázanom pásme látky vzniká takzvaná inverzná hladina. Životnosť elektrónu na tejto úrovni je dlhšia ako doba, ktorú strávi vo vodivom pásme. V určitom časovom období sa teda na ňom „hromadia“elektróny. Toto sa nazýva inverzná populácia. Pri prekročení takejto úrovne bodkovanéelektrónov, prejde fotón požadovanej vlnovej dĺžky, spôsobí súčasné generovanie veľkého počtu svetelných vĺn rovnakej dĺžky a fázy. To znamená, že elektróny v lavíne všetky súčasne prechádzajú do základného stavu a vytvárajú zväzok monochromatických fotónov dostatočne vysokej sily. Treba si uvedomiť, že hlavným problémom vývojárov prvého laseru bolo hľadanie takej kombinácie látok, pre ktorú by bola možná inverzná populácia jednej z úrovní. Prvou pracovnou látkou sa stal legovaný rubín.

Zloženie lasera

Pevný laser sa svojimi hlavnými komponentmi nelíši od ostatných typov. Pracovné teleso, v ktorom sa vykonáva inverzná populácia jednej z úrovní, je osvetlené nejakým zdrojom svetla. Volá sa to pumpovanie. Často to môže byť obyčajná žiarovka alebo plynová výbojka. Dva paralelné konce pracovnej tekutiny (pevnolátkový laser znamená kryštál, plynový laser riedke médium) tvoria sústavu zrkadiel alebo optický rezonátor. Zhromažďuje do lúča len tie fotóny, ktoré idú rovnobežne s výstupom. Pevné lasery sú zvyčajne čerpané pomocou zábleskových lámp.

Typy pevnolátkových laserov

V závislosti od spôsobu výstupu laserového lúča sa rozlišujú kontinuálne a pulzné lasery. Každý z nich nájde uplatnenie a má svoje vlastné charakteristiky. Hlavným rozdielom je, že pulzné pevnolátkové lasery majú vyšší výkon. Pretože za každý výstrelZdá sa, že fotóny sa „hromadia“, potom je jeden impulz schopný dodať viac energie ako nepretržitá výroba počas podobného časového obdobia. Čím kratšie impulz trvá, tým je každý „výstrel“silnejší. V súčasnosti je technologicky možné postaviť femtosekundový laser. Jeden z jeho impulzov trvá približne 10-15 sekúnd. Táto závislosť súvisí so skutočnosťou, že vyššie opísané procesy spätného osídlenia trvajú veľmi, veľmi málo. Čím dlhšie trvá čakanie, kým laser „vystrelí“, tým viac elektrónov stihne opustiť inverznú hladinu. V súlade s tým sa zníži koncentrácia fotónov a energia výstupného lúča.

Laserové gravírovanie

Vzory na povrchu kovových a sklenených vecí zdobia každodenný život človeka. Môžu sa aplikovať mechanicky, chemicky alebo laserom. Posledná metóda je najmodernejšia. Jeho výhody oproti iným metódam sú nasledovné. Keďže nedochádza k priamemu vplyvu na ošetrovaný povrch, je takmer nemožné poškodiť vec v procese nanášania vzoru alebo nápisu. Laserový lúč vypáli veľmi plytké drážky: povrch s takýmto rytím zostáva hladký, čo znamená, že vec nie je poškodená a bude trvať dlhšie. V prípade kovu laserový lúč zmení samotnú štruktúru látky a nápis sa nezmaže po mnoho rokov. Ak sa vec používa opatrne, nie je ponorená do kyseliny a nedeformuje sa, potom sa vzor na nej určite zachová niekoľko generácií. Na gravírovanie je najlepšie zvoliť pevnolátkový pulzný laser z dvoch dôvodov: pevnolátkové procesyľahšie sa ovláda a je optimálny z hľadiska výkonu a ceny.

Inštalácia

Existujú špeciálne nastavenia pre gravírovanie. Okrem samotného lasera pozostávajú z mechanických vodítok, po ktorých sa laser pohybuje, a riadiaceho zariadenia (počítača). Laserový stroj sa používa v mnohých odvetviach ľudskej činnosti. Vyššie sme hovorili o zdobení domácich potrieb. Osobné príbory, zapaľovače, okuliare, hodinky zostanú v rodine na dlhý čas a budú vám pripomínať šťastné chvíle.

Laserové gravírovanie však potrebuje nielen tovar pre domácnosť, ale aj priemyselný tovar. Veľké továrne, ako sú automobily, vyrábajú diely v obrovských množstvách: státisíce alebo milióny. Každý takýto prvok by mal byť označený – kedy a kto ho vytvoril. Nie je lepší spôsob ako laserové gravírovanie: čísla, čas výroby, životnosť zostanú dlho aj na pohyblivých častiach, pri ktorých hrozí zvýšené riziko oderu. Laserový stroj by sa v tomto prípade mal vyznačovať zvýšeným výkonom, ako aj bezpečnosťou. Ak totiž gravírovanie zmení vlastnosti kovovej časti čo i len o zlomok percenta, môže na vonkajšie vplyvy reagovať odlišne. Napríklad zlom na mieste, kde je nápis. Pre domáce použitie je však vhodná jednoduchšia a lacnejšia inštalácia.