Қатты күйдегі лазер: жұмыс принципі, қолданылуы

2024 Автор: Howard Calhoun | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2023-12-17 10:33

Бұл мақала монохроматикалық сәулеленудің қандай көздері және қатты күйдегі лазердің басқа түрлерінен қандай артықшылығы бар екенін көрсетеді. Ол когерентті сәулеленудің генерациясының қалай жүретінін, импульстік құрылғының неліктен күштірек екенін, гравюра не үшін қажет екенін айтады. Ол сондай-ақ лазердің үш маңызды элементін және оның қалай жұмыс істейтінін талқылайды.

Аймақ теориясы

Лазер (мысалы, қатты күй) қалай жұмыс істейтіні туралы айтпас бұрын, кейбір физикалық үлгілерді қарастырған жөн. Электрондардың атом ядросының айналасында белгілі бір орбиталарда немесе энергетикалық деңгейлерде орналасқанын мектептегі сабақтардан әркім есіне алады. Егер біздің қолымызда бір атом емес, көп болса, яғни кез келген көлемдік денені қарастырсақ, онда бір қиындық туындайды.

Паули принципі бойынша энергиясы бірдей берілген денеде бір ғана электрон болуы мүмкін. Оның үстіне ең кішкентай құм түйіршіктерінің өзінде атомдар көп. Бұл жағдайда табиғат өте талғампаз шығу жолын тапты - әрқайсысының энергиясыэлектрон көршісінің энергиясынан өте аз, дерлік ажыратылмайтын шамамен ерекшеленеді. Бұл жағдайда бірдей деңгейдегі барлық электрондар бір энергетикалық диапазонға «қысылады». Ядродан ең алыс электрондар орналасқан аймақ валенттік аймақ деп аталады. Одан кейінгі аймақтың энергиясы жоғары. Онда электрондар еркін қозғалады және ол өткізгіштік диапазон деп аталады.

Эмиссия және сіңіру

Кез келген лазер (қатты күйдегі, газды, химиялық) электрондардың бір аймақтан екінші аймаққа өту принциптері бойынша жұмыс істейді. Егер денеге жарық түссе, онда фотон электронға оны жоғары энергетикалық күйге қою үшін жеткілікті күш береді. Және керісінше: электрон өткізгіштік зонасынан валенттік аймаққа өткенде бір фотон шығарады. Егер зат жартылай өткізгіш немесе диэлектрик болса, валенттілік және өткізгіштік жолақтары бір деңгей жоқ интервалмен бөлінеді. Сәйкесінше, электрондар ол жерде бола алмайды. Бұл интервал жолақ саңылауы деп аталады. Егер фотонның энергиясы жеткілікті болса, электрондар осы аралықтан секіреді.

Ұрпақ

Қатты күйдегі лазердің жұмыс істеу принципі заттың жолақ саңылауында кері деңгей деп аталатын нәрсенің пайда болуына негізделген. Бұл деңгейдегі электронның өмір сүру уақыты оның өткізгіштік аймағында өткізетін уақытынан ұзағырақ. Осылайша, белгілі бір уақыт кезеңінде электрондар «жинақталады». Бұл кері популяция деп аталады. Мұндай деңгейден өткенде нүктеліэлектрондар, қажетті толқын ұзындығының фотоны өтеді, ол бірдей ұзындықтағы және фазадағы көптеген жарық толқындарының бір мезгілде генерациясын тудырады. Яғни, көшкіндегі электрондардың барлығы бір уақытта негізгі күйге өтіп, жеткілікті жоғары қуаттағы монохроматикалық фотондар шоғын жасайды. Айта кету керек, бірінші лазерді жасаушылардың негізгі мәселесі - деңгейлердің бірінің кері популяциясы мүмкін болатын заттардың осындай комбинациясын іздеу. Легірленген рубин алғашқы жұмыс істейтін зат болды.

Лазерлік композиция

Қатты күйдегі лазердің негізгі құрамдас бөліктері бойынша басқа түрлерінен айырмашылығы жоқ. Деңгейлердің бірінің кері басуы жүзеге асырылатын жұмыс органы кейбір жарық көзімен жарықтандырылады. Оны сору деп атайды. Көбінесе бұл қарапайым қыздыру шамы немесе газ разрядтық түтік болуы мүмкін. Жұмыс сұйықтығының екі параллель ұшы (қатты күйдегі лазер - кристалды, газ лазері - сирек кездесетін ортаны білдіреді) айналар жүйесін немесе оптикалық резонаторды құрайды. Ол розеткаға параллель жүретін фотондарды ғана сәулеге жинайды. Қатты күйдегі лазерлер әдетте жарқыл шамдарымен сорылады.

Қатты күйдегі лазерлердің түрлері

Лазер сәулесінің шығу жолына қарай үздіксіз және импульстік лазерлер бөлінеді. Олардың әрқайсысы қолдануды табады және өзіндік сипаттамалары бар. Негізгі айырмашылық импульстік қатты күйдегі лазерлердің жоғары қуатқа ие болуы. Өйткені әрбір ату үшінфотондар «жинақталатын» сияқты, содан кейін бір импульс ұқсас уақыт кезеңінде үздіксіз генерациядан гөрі көбірек энергияны жеткізуге қабілетті. Импульс неғұрлым қысқа болса, соғұрлым күшті әрбір «ату». Қазіргі уақытта фемтосекундтық лазерді құрастыру технологиялық мүмкін. Оның бір импульсі шамамен 10-15 секундқа созылады. Бұл тәуелділік жоғарыда сипатталған кері популяция процестерінің өте, өте аз уақытқа созылуымен байланысты. Лазер «ату» алдында күту үшін неғұрлым ұзақ уақыт қажет болса, соғұрлым көп электрондар кері деңгейден кетуге уақыт алады. Сәйкесінше, фотондардың концентрациясы және шығыс сәуленің энергиясы азаяды.

Лазерлік гравюра

Металл және шыны заттардың бетіндегі өрнектер адамның күнделікті өмірін безендіреді. Оларды механикалық, химиялық немесе лазермен қолдануға болады. Соңғы әдіс ең заманауи болып табылады. Оның басқа әдістерден артықшылығы төмендегідей. Өңделетін бетке тікелей әсер етпейтіндіктен, өрнекті немесе жазуды қолдану процесінде затты зақымдау мүмкін емес. Лазер сәулесі өте таяз ойықтарды күйдіреді: мұндай гравюра бар бет тегіс болып қалады, бұл зат бұзылмайды және ұзағырақ болады. Металл жағдайында лазер сәулесі заттың құрылымын өзгертеді, ал жазу ұзақ жылдар бойы өшірілмейді. Егер зат ұқыпты пайдаланылса, қышқылға батырылмаса және деформацияланбаса, онда бірнеше ұрпақ үшін ондағы өрнек міндетті түрде сақталады. Екі себеп бойынша гравюра үшін қатты күйдегі импульстік лазерді таңдаған дұрыс: қатты күйдегі процестержүргізу оңайырақ, әрі ол қуат пен баға бойынша оңтайлы.

Орнату

Гравюра үшін арнайы параметрлер бар. Лазердің өзінен басқа олар лазер қозғалатын механикалық бағыттағыштардан және басқару аппаратурасынан (компьютер) тұрады. Лазерлік машина адам қызметінің көптеген салаларында қолданылады. Жоғарыда біз тұрмыстық заттарды безендіру туралы айттық. Жеке ас құралдары, оттықтар, көзілдірік, сағаттар отбасында ұзақ сақталады және бақытты сәттерді еске салады.

Алайда, тек тұрмыстық емес, өнеркәсіптік тауарларға да лазерлік гравюра қажет. Автомобильдер сияқты ірі зауыттар үлкен көлемде бөлшектер шығарады: жүздеген мың немесе миллиондаған. Әрбір мұндай элемент белгіленуі керек - оны қашан және кім жасаған. Лазерлік гравировкадан жақсы әдіс жоқ: сандар, өндіріс уақыты, қызмет ету мерзімі тіпті жылжымалы бөліктерде ұзақ уақыт сақталады, олар үшін абразия қаупі жоғары. Бұл жағдайда лазерлік машина жоғары қуатпен, сондай-ақ қауіпсіздікпен ерекшеленуі керек. Өйткені, гравюра металл бөлшектің қасиетін тіпті аз ғана болса да өзгертсе, ол сыртқы әсерлерге басқаша әсер етуі мүмкін. Мысалы, жазу қолданылатын жерде үзіңіз. Дегенмен, үйде пайдалану үшін қарапайым және арзанырақ орнату қолайлы.